[논문 리뷰] Dissipative many-body physics of cold Rydberg atoms

O. Morsch, Igor Lesanovsky|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 11.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 49인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 냉각된 라이드버그 원자에서의 소산 다체역학을 조사하며, 비구속적 여기와 자발적 붕괴가 운동적 제약과 비평형 상전이를 유도함을 보여준다. 이는 라이드버그 기체가 고전적 및 양자 다체 현상을 시뮬레이션할 수 있는 조절 가능한 플랫폼임을 보여주며, 일阶 흡수상태 전이를 포함하여 양자 시뮬레이터의 정당성을 고전적 기준으로 검증할 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

In the last twenty years, Rydberg atoms have become a versatile and much studied system for implementing quantum many-body systems in the framework of quantum computation and quantum simulation. However, even in the absence of coherent evolution Rydberg systems exhibit interesting and non-trivial many-body phenomena such as kinetic constraints and non-equilibrium phase transitions that are relevant in a number of research fields. Here we review our recent work on such systems, where dissipation leads to incoherent dynamics and also to population decay. We show that those two effects, together with the strong interactions between Rydberg atoms, give rise to a number of intriguing phenomena that make cold Rydberg atoms an attractive test-bed for classical many-body processes and quantum generalizations thereof.

연구 동기 및 목표

• 비구속적 다체 역학이 존재하는 데도 불구하고 냉각된 라이드버그 기체에서 고전적 다체 현상을 탐구하기 위해.
• 라이드버그-라이드버그 상호작용과 레이저 이격도에서 기인하는 운동적 제약를 식별하고 실험적으로 확인하기 위해.
• 자발적 붕괴가 운동적 제약된 여기와 경쟁할 때 흡수상태 역학에 의해 지배되는 비평형 상전이를 조사하기 위해.
• 냉각된 라이드버그 기체를 유리 형성이나 전염병 확산과 같은 고전적 과정을 시뮬레이션하기 위한 시험대(테스트베드)로 설정하기 위해.
• 시스템 매개변수의 제어된 전이를 통해 비구속적 고전적 시뮬레이션과 구속적 양자 시뮬레이터를 연결하는 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 비구속적 드라이브와 자발적 붕괴를 포함하는 마스터 방정식을 사용하여 라이드버그 여기 동역학을 모델링하기 위해.
• 평균장 근사를 적용하여 정 steady 상태 인구 분포 방정식을 유도하고 임계 드라이브 강도 Ωc = κ/√2를 식별하기 위해.
• 완전히 구속된 근사에서 상전이의 일계단 성격을 검증하기 위해 양자점프 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하기 위해.
• 운동적 제약(블록레이드)과 인구 붕괴 간의 경쟁을 분석하여 흡수상태 상전이를 식별하기 위해.
• 장 이론적 방법을 적용하여 상전이를 특성화하고 구속된 영역에서의 일계단 성격을 확인하기 위해.
• 탈진 기술을 사용하여 공명 시간을 늘리거나 붕괴율을 높여 구속 근사에 접근할 수 있는 실험적 프로토콜을 설계하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 상호작용과 레이저 이격도로 인해 소산 라이드버그 기체에서 운동적 제약가 어떻게 발생하는가?
• RQ2 여기와 붕괴가 경쟁하는 라이드버그 시스템에서 활성 상태와 흡수 상태 사이의 상전이의 성격은 무엇인가?
• RQ3 냉각된 라이드버그 기체는 유리 형성이나 전염병 확산과 같은 고전적 비평형 현상을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 상전이의 일계단 성격이 정 steady 상태 인구에 어떻게 나타나며, 이는 이계단 전이와 어떻게 다를까?
• RQ5 양자 시뮬레이션에 필요한 구속 영역에 접근하기 위한 실험 조건는 무엇이며, 고전적 시뮬레이션은 양자 결과를 어떻게 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 라이드버그 기체에서의 운동적 제약는 강하게 상관된, 공간적으로 비균일한 붕괴 역학을 유도하며, 유리 상태의 행동을 모방한다.
• 임계 드라이브 강도 Ωc = κ/√2에서 일계단 흡수상태 상전이가 발생하며, 정 steady 상태 인구 n_ss에서 불연속적인 점프가 관찰된다.
• Ω ≥ Ωc일 때 안정된 정 steady 상태 인구는 n_ss = (1/4)[1 + √(1 + γ²/(8Ω²))]로 주어지며, 이는 전이에서 n_ss = 0으로 부드럽게 연결되지 않는다.
• 양자점프 몬테카를로 시뮬레이션은 분석 예측과 일치하는 상전이의 일계단 성격을 확인한다.
• 현재 기술로는 밀리세컨드 수준의 공명 시간과 향상된 붕괴율을 통해 양자 시뮬레이션에 필요한 구속 근사에 도달할 수 있다.
• 비구속적 고전적 동역학과 구속적 양자 시뮬레이션 간의 연결은, 고전적으로 다룰 수 있는 영역을 활용하여 대규모 양자 시뮬레이터의 결과를 검증할 수 있는 길을 제시한다.