[논문 리뷰] Dynamical creation and detection of entangled many-body states in a chiral atom chain

Giuseppe Buonaiuto, Ryan Jones외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 22.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 파동구에 결합된 초순응 원자 체인에서 유도 모드에 있는 광자 수세기 통계를 활용하여, 다체 얽힘 상태를 실시간으로 탐지하고 특성화하는 방법을 제안한다. 방출된 광자의 비례 누적 생성함수(SCGF)를 분석함으로써, 어둠진 얽힘 상태를 드러내고, 유도되지 않은 광자 방출과 같은 실험적 결함이 존재하는 상황에서도, 얽힘된 상태와 혼합된 상태의 공존과 같은 복잡한 동적 행동을 현장에서 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

Open quantum systems with chiral interactions can be realized by coupling atoms to guided radiation modes in waveguides or optical fibres. In their steady state these systems can feature intricate many-body phases such as entangled dark states, but their detection and characterization remains a challenge. Here we show how such collective phenomena can be uncovered through monitoring the record of photons emitted into the guided modes. This permits the identification of dark entangled states but furthermore offers novel capabilities for probing complex dynamical behavior, such as the coexistence of a dark entangled and a mixed phase. Our results are of direct relevance for current experiments, as they provide a framework for probing, characterizing and classifying dynamical features of chiral light-matter systems.

연구 동기 및 목표

• 파동구에 결합된 초순응 원자 체인에서 얽힌 다체 얽힘 상태를 탐지하고 특성화하기 위한 방법을 개발하는 것.
• 그들의 디코herence 보호로 인해 탐지하기 어려운 어둠진 얽힘 상태를 식별하는 데 발생하는 실험적 과제를 해결하는 것.
• 특히 어둠진 얽힘 상태와 혼합 상태의 공존을 포함한 초순응 빛-물질 시스템의 동적 행동을 탐구하는 것.
• 유도되지 않은 모드로의 방출과 같은 현실적인 결함 상황에서도 이러한 탐지 방법의 강건성을 평가하는 것.
• 양자 시뮬레이션 및 정보 처리에 활용하기 위해 광자 방출 통계와 원자 체인의 기본 양자 상태를 연결하는 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 연구는 파동구의 왼쪽 및 오른쪽 유도 모드로 방출된 광자의 수세기 통계를 분석하기 위해 비례 누적 생성함수(SCGF) 형식을 사용한다.
• SCGF는 광자 수세기 조건 하에서의 편향된 양자 상태를 추출하는 데 사용되며, 이는 광자 수세기 조건 하에서의 효과적 동역학을 드러내어 어둠진 상태와 혼합 상태의 식별을 가능하게 한다.
• 리드블라드 마스터 방정식은 원자 체인의 개방 양자 동역학을 모델링하며, 이는 공명 레이저 조명, 유도 모드를 통한 초순응 전기 dipole-전기 상호작용, 그리고 유도되지 않은 모드로의 자발적 방출을 포함한다.
• 이 방법은 광자 통계와 다체 시스템의 정 steady 상태 성질 간의 연결을 위해 대규모 변동 원리를 적용한다.
• 균일한 및 번갈아 가며 변화하는 두 가지 딜레이닝 패턴을 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행하여 서로 다른 다체 상태를 탐색한다.
• 특징적인 광자 방출률과 편향된 상태의 순도가 어둠진 얽힘 상태 또는 상ases 공존의 존재를 직접적으로 신호로 나타내므로, 이 방법은 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유도 모드에서의 광자 수세기 통계를 사용하여 초순응 원자 체인에서 얽힌 다체 얽힘 상태를 탐지하고 특성화할 수 있는가?
• RQ2 SCGF 형식은 어떻게 어둠진 얽힘 상태와 그들의 동적 변동을 식별하는 데 기여하는가?
• RQ3 유도되지 않은 광자 방출이 실험적 결함으로 도입될 경우, 얽힘 상태의 탐지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어둠진 얽힘 상태와 혼합 상태의 공존이 광자 통계를 통해 관찰되고 특성화될 수 있는가?
• RQ5 균일한 딜레이닝과 번갈아 가는 딜레이닝 패턴의 차이에 따라 시스템의 동적 행동은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 광자 방출의 SCGF는 어둠진 얽힘 상태와 혼합 상태 사이의 급격한 전이를 드러내며, 이 전이에서 어둠진 상태는 순수한 디머 상태에 해당한다.
• 균일한 딜레이닝의 경우, 시스템은 명확한 상전이를 보이며, 어둠진 상태는 광자 통계를 통해 안정적이고 탐지 가능하다. 그러나 유도되지 않은 방출률 $Γ$ 가 증가함에 따라 SCGF의 급격한 특징이 점차 억제된다.
• 번갈아 가는 딜레이닝의 경우, 유도되지 않은 방출이 존재할 때 비록 정상 상태가 혼합 상태가 되더라도, 어둠진 순수한 디머 상태는 간헐적인 광자 방출 동역학의 변동으로만 나타난다.
• 편향된 상태의 순도는 유도되지 않은 방출률이 증가함에 따라 감소하며, 혼합 상태로의 전이를 나타내지만, SCGF의 특징적인 특성은 여전히 동적 공존의 징후로 유지된다.
• 작은 $Γ$ 값에서 번갈아 가는 딜레이닝의 경우 광자 방출 기록이 간헐적인 행동을 보이며, 이는 어둠진 얽힘 상태와 혼합 상태의 공존에 대한 직접적인 실험적 징후이다.
• 어둠진 디머 상태의 해석적 형태는 $\rho_{\mathrm{dimer}} = \bigotimes_{j=1}^{N/2} \ket{D}_{2j-1,2j}\bra{D}$ 로 유도되며, 여기서 $\ket{D} \propto \ket{gg} + \beta(\ket{ge} - \ket{eg})$ 이며, $\beta = -2\Omega/(2\delta + i\Delta\gamma)$ 이다.