[논문 리뷰] Dynamical engineering of squeezed thermal states

Léonce Dupays, Aurélia Chenu|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 07.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 조율 가능한 온도와 엔트로피를 갖는 고속으로 압축된 열 상태를 조율 가능한 조건에서 조절 가능한 시간 내에 조절 가능한 온도와 엔트로피를 갖는 고속으로 압축된 열 상태를 준비하기 위해 고속 열역학적 접근법을 제시한다. 대칭성의 반대 방향으로 작용하는 해밀토니안과 맞춤형 소산항을 유도함으로써, 이 방법은 조율 가능한 시간 내에 이러한 상태를 생성할 수 있으며, 트랩된 이온 시스템에서 두광자 라만 전이를 통해 확률적으로 구동되는 레이저의 진폭, 위상 및 위상 왜곡에 대한 명시적 해를 제공한다.

ABSTRACT

Control protocols known as shortcuts to adiabaticity allow to drive a quantum system from an initial to a final state arbitrarily fast. These techniques have recently been proposed for open quantum systems, thus extending their application to allow for fast thermalization. Here, we engineer dynamical schemes for the fast preparation of squeezed thermal states at controlled temperature. We derive the equations of motion of squeezed thermal states in harmonic oscillators under unitary and open dynamics, allowing for temperature and entropy variations between the initial and final states. The counter-diabatic Hamiltonians and associated dissipators are provided, and whenever possible, given in a form relevant to experimental application.The technique is detailed in the setting of trapped-ion experiments with two-photon Raman interaction, where the desired open dynamics is obtained from stochastically shaking the trapping potential, or driving the system with a laser of stochastic amplitude. In this context, we find solutions for the control parameters---namely laser amplitude, phase, and dephasing strength---that allow creating a squeezed thermal state at controlled temperature in arbitrary time.

연구 동기 및 목표

• 개방 양자 시스템에서 압축된 열 상태를 빠르게 준비하기 위한 비단조화적 프로토콜을 개발하기 위해.
• 고속 열역학적 접근법을 개방 시스템으로 확장하여 빠른 열화 및 엔트로피 제어를 가능하게 하기 위해.
• 트랩된 이온 플랫폼에서 필요한 역학을 실현하기 위한 실험적으로 관련된 제어 매개변수—레이저 진폭, 위상 및 위상 왜곡—을 제공하기 위해.
• 압축된 열 상태의 운동 방정식을 비단조화적 및 개방 역학 하에서 유도하여, 임의의 초기 및 최종 온도 및 엔트로피를 허용하기 위해.
• 두광자 라만 전이를 통해 확률적으로 구동되는 레이저를 사용한 현실적인 트랩된 이온 실험에서의 실현 가능성 입증하기 위해.

제안 방법

• 고조화 진동자에서 비단조화 및 개방 역학 하에서 압축된 열 상태의 운동 방정식을 유도하며, 온도 및 엔트로피 변화를 포함하기 위해.
• 빠른 상태 공학 중 비단조화 전이를 억제하기 위해 반대 단계 해밀토니안을 구성하기 위해.
• 목표 역학과 호환되는 소산항을 설계하여 제어된 온도에서 빠른 열화를 가능하게 하기 위해.
• 실험적으로 접근 가능한 매개변수—트랩된 이온 시스템에서의 레이저 진폭, 위상 및 위상 왜곡 강도—로 제어 프로토콜을 매핑하기 위해.
• 두광자 라만 전이를 통해 확률적으로 진동하는 포지션 또는 확률적으로 구동되는 레이저를 사용하여 필요한 개방 역학을 실현하기 위해.
• 임의의 시간 내에 목표 압축된 열 상태를 달성하는 데 필요한 제어 매개변수의 해석적 해를 제공하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속 열역학적 접근법을 개방 양자 시스템으로 확장하여 압축된 열 상태를 고속으로 준비할 수 있는가?
• RQ2 특히 해밀토니안과 소산항을 통해 어떤 제어 프로토콜이 필요한가? 이는 제어된 온도와 엔트로피를 갖는 임의의 시간 내에 압축된 열 상태로의 진화를 가능하게 하는가?
• RQ3 확률적으로 구동되는 라만 전이를 갖는 트랩된 이온 시스템과 같은 실험적으로 실현 가능한 설정에서 역학은 어떻게 실현될 수 있는가?
• RQ4 목표 상태를 임의의 시간 내에 달성하는 데 필요한 명시적 시간에 따라 변하는 제어 매개변수(레이저 진폭, 위상, 위상 왜곡)는 무엇인가?
• RQ5 고속 역학 과정 중 온도와 엔트로피는 어떻게 변화하며, 이들은 독립적으로 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 비단조화 및 개방 역학 하에서 압축된 열 상태의 정확한 운동 방정식을 유도하여, 초기 및 최종 온도 및 엔트로피를 임의로 설정할 수 있도록 했다.
• 빠른 상태 공학 중 비단조화 전이를 억제하기 위해 반대 단계 해밀토니안을 구성하여 고정밀도 상태 준비를 보장했다.
• 원하는 온도에서 빠른 열화를 가능하게 하기 위해 맞춤형 소산항을 도출하여 고속 열역학적 접근법을 개방 시스템으로 확장했다.
• 레이저 진폭, 위상 및 위상 왜곡 강도에 대한 명시적 해를 제공하여, 트랩된 이온 시스템에서 임의의 시간 내에 압축된 열 상태를 준비할 수 있도록 했다.
• 두광자 라만 전이를 통해 확률적으로 구동되는 레이저 또는 확률적으로 진동하는 포지션을 사용한 트랩된 이온 실험에서 이 방법이 실현 가능하다.
• 이 방법은 최종 상태의 온도와 압축 정도를 완전히 제어할 수 있으며, 진화 시간에 제약 없이 적용 가능하다.