[논문 리뷰] Dissipative generation of highly entangled states of light and matter

Catalin-Mihai Halati, Ameneh Sheikhan외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 16.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 체인에 배열된 초냉각 보존을 갖는 캐비티-QED 시스템에서 고도로 얽힌 원자 및 광자 상태의 소산적 생성을 조사한다. 전역 캐비티 결합과 개방계 동역학을 포함하도록 행렬 곱 상태 및 아디아바틱 제거 기법을 확장함으로써, 강한 소산이 원자 정상 상태를 완전히 혼합된 상태로 이끈다는 것이 밝혀졌으며, 이는 평균장 예측과는 다름을 드러내며, 자기조직화 과정에서 다체 양자 비호환성의 역할을 강조한다.

ABSTRACT

We investigate the full quantum evolution of ultracold interacting bosonic atoms on a chain and coupled to an optical cavity. Extending the time-dependent matrix product state techniques and the many-body adiabatic elimination technique to capture the global coupling to the cavity mode and the open nature of the cavity, we examine the long time behavior of the system beyond the mean-field elimination of the cavity field. We investigate the many body steady states and the self-organization transition for a wide range of parameters. We show that in the self-organized phase the steady state consists in a mixture of the mean-field predicted density wave states and excited states with additional defects. In particular, for large dissipation strengths a steady state with a fully mixed atomic sector is obtained crucially different from the predicted mean-field state.

연구 동기 및 목표

• 캐비티-결합 초냉각 원자 시스템에서 소산의 역할이 다체 얽힌 상태 생성에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 개방계 동역학으로 인한 자기조직화 상에서 평균장 기술의 붕괴를 조사하는 것.
• 전역 캐비티 결합과 소산이 존재할 경우 평균장 예측을 초월한 정상 상태의 발생을 탐구하는 것.
• 결함 상태와 혼합된 원자 부문을 포함한 자기조직화 상에서의 다체 정상 상태의 구조를 규명하는 것.

제안 방법

• 전역 캐비티 결합을 고려한 개방 양자 다체 동역학을 시뮬레이션하기 위해 시간에 의존하는 행렬 곱 상태 기법의 확장.
• 캐비티 모드의 전체 양자 동역학과 소산을 고려하기 위해 다체 아디아바틱 제거 기법의 적응.
• 비마르코프 및 소산 효과를 포착하기 위해 시뮬레이션 프레임워크에 캐비티의 개방성 통합.
• 장시간 진동을 수치적으로 시뮬레이션하여 평균장 근사 이외의 정상 상태 성질에 접근하는 것.
• 정상 상태 밀도 행렬 분석을 통해 자기조직화 상에서 혼합 상태와 결함 진동자를 식별하는 것.
• 소산과 얽힘으로 인한 편차를 정량화하기 위해 결과를 평균장 예측과 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 소산은 캐비티-QED 설정에서 자기조직화 다체 시스템의 정상 상태 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다체 효과와 얽힘은 원자 정상 상태에 대한 평균장 예측을 얼마나 깊이 무너뜨리는가?
• RQ3 캐비티 유도 소산과 전역 결합이 비틀린 양자 상관관계를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 강한 소산 조건에서 완전히 혼합된 원자 상태가 정상 상태로 나타날 수 있으며, 이는 일관성에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ5 결함 진동자와 옹진 상태는 자기조직화 상의 정상 상태 성질에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 자기조직화 상에서 정상 상태는 순수한 평균장 밀도파가 아니라, 평균장 상태와 추가 결함을 가진 진동자 상태의 혼합물이다.
• 큰 소산 강도에서 원자 부분계는 완전히 혼합된 정상 상태에 도달하며, 이는 평균장 이론이 예측한 순수한 상태와 근본적으로 다르다.
• 완전히 혼합된 원자 상태의 등장은 강한 소산과 다체 양자 비호환성으로 인한 평균장 기술의 붕괴를 보여준다.
• 시스템은 양자 상관관계와 소산이 함께 정상 상태를 형성하는 장시간 동역학을 보이며, 이는 평균장 기대와 크게 다름을 보인다.
• 전역 캐비티 결합과 개방계 효과를 통합함으로써, 이전의 평균장 또는 페르미온적 접근법으로는 포착하지 못한 더 풍부한 정상 상태 구조가 드러났다.