[논문 리뷰] Many-Body Open Quantum Systems

Rosario Fazio, Jonathan Keeling외 2명|St Andrews Research Repository (St Andrews Research Repository)|2024. 09. 16.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 7

한 줄 요약

이 강의 노트는 방출 및 응집 역학이 조정 가능한 열린 양자 다체 시스템에서의 이론적 발전을 조사하며, 프레임워크, 소멸적 상태 엔지니어링, 소멸적 상전이, 정상 상태로의 역학, 그리고 모니터링된 양자 궤적을 다룬다.

ABSTRACT

These Lecture Notes discuss the recent theoretical advances in the understanding of open quantum many-body physics in platforms where both dissipative and coherent processes can be tuned and controlled to a high degree. We start by reviewing the theoretical frameworks and methods used to describe and tackle open quantum many-body systems. We then discuss the use of dissipative processes to engineer many-body stationary states with desired properties and the emergence of dissipative phase transitions arising out of the competition between coherent evolution and dissipation. We review the dynamics of open quantum many body systems in the presence of correlated many-body dissipative processes, such as heating and many-body losses. Finally we provide a different perspective on open quantum many-body systems by looking at stochastic quantum trajectories, relevant for the case in which the environment represents a monitoring device, and the associated measurement-induced phase transitions.

연구 동기 및 목표

• 열린 양자 다체 시스템에 대한 이론적 프레임워크(Lindblad, Schwinger–Keldysh, 양자 궤적)를 소개한다.
• 엔지니어링된 소멸이 어떻게 원하는 다체 계 정상 상태를 만들어낼 수 있는지 설명한다.
• 응집 역학과 소멸 간의 경쟁으로부터 발생하는 소멸적 상전치를 논의한다.
• 가열 및 다체 손실 하에서 정상 상태로의 역학을 검토한다.
• 열린 시스템에서 모니터링된 역학과 측정 유도 현상의 역할을 제시한다.

제안 방법

• 대칭성 및 정상 상태에 대한 논의를 포함한 Lindblad 마스터 방정식 형식을 제시한다.
• 구동-소멸 다이내믹스를 위한 Schwinger–Keldysh 경로적분 형식을 설명한다.
• Lindblad 방정식의 언래블링으로서의 양자 궤적을 개략한다.
• 위상공간 접근법, Heisenberg–Langevin 방정식, 제3중복화, 비유사 해밀토니언 계효성 등의 추가적 프레임워크를 조사한다.
• 수치 및 해석 방법: MF, DMFT, 클러스터 방법, MPS, 신경망 해설, 코너-공간 재규격화, 누적자 확장, MCTDH, Schwinger–Keldysh 기법을 요약한다.

Figure 1: (a-b) Experimental measurement of a dissipative phase transition in a Josephson junction arrays, from [ 44 ] . (a) The Josephson array (on the top of the device) is in electrostatic contact with a two-dimensional electron gas (2DEG) that is responsible for a voltage noise on the supercondu

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소멸을 어떻게 설계하여 특정 다체 정상 상태를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 열린 양자 다체 시스템에서 소멸적 상전치의 특징과 분류는 무엇인가?
• RQ3 사열 및 손실과 같은 상관된 다체 소멸 프로세스가 역학과 정상 상태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 양자 궤적과 측정 유도 전이가 평균 밀도 행렬 역학을 넘어 어떤 통찰을 제공하는가?
• RQ5 다양한 실험 플랫폼은 구동-소멸 열린 시스템 물리학을 어떻게 구현하고 연구하는가?

주요 결과

• 소멸적 프로세스는 비자주적 다체 상태를 안정화시키고 소멸을 통해 양자 계산을 가능하게 할 수 있다.
• 소멸적 상전치는 응집 진화와 소멸의 경쟁에서 발생하며, 특정 분류는 스펙트럴 이론 및 Schwinger–Keldysh 장 이론과 연관된다.
• 구동, 소멸, 대칭성 파괴 간의 상관은 경계 시간 결정 결정 및 흡수 상태 전이와 같은 현상을 이끈다.
• 모니터링된 양자 시스템은 평균 밀도 행렬에서는 보이지 않는 측정 유도 전이를 드러낸다.
• 다양한 플랫폼 특화 접근법(예: 구동-소멸 격자에 대한 DMFT, MPS, 신경망)이 열린 다체 다 dynamics를 처리 가능하게 한다.

Figure 2: (Left) Energy levels of 9 Be + ions in a magnetic field $B$ employed in the experiment on the quantum Zeno effect [ 62 ] . The two hyperfine levels, $1$ and $2$ , are coupled by a radio-frequency field; a strong laser pulse couples the level $1$ with the excited level $3$ , which undergoes