[논문 리뷰] Non-stationary dynamics and dissipative freezing in squeezed superradiance

Carlos Sánchez Muñoz, Berislav Buča외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 11.

Quantum Information and Cryptography인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비정상적 동역학과 양자 비가역적 동결 현상에 대해 조율된 스핀 집합에서의 압축된 초광방출 붕괴를 고려하여 연구하며, 비평형 임계 상태가 급격히 감소하지 않는 리우빌 스펙트럼과 관련되어 있음을 밝혀낸다. 이는 비가역적 동결이 강한 대칭성에 의해 발생하며, 체계의 크기에 관계없이 양자 궤적들이 항상 하나의 대칭성 영역에 선택되어 머무르게 되어 있음을 보여주며, 열역학적 한계에서 실수부가 0에 수렴하고 허수부가 유한한 고유값들에 의해 비정상적 동역학이 나타남을 시사한다.

ABSTRACT

In this work, we study the driven-dissipative dynamics of a coherently-driven spin ensemble with a squeezed, superradiant decay. This decay consists of a sum of both raising and lowering collective spin operators with a tunable weight. The model presents different critical non-equilibrium phases with a gapless Liouvillian that are associated to particular symmetries and that give rise to distinct kinds of non-ergodic dynamics. In Ref. [1] we focus on the case of a strong-symmetry and use this model to introduce and discuss the effect of dissipative freezing, where, regardless of the system size, stochastic quantum trajectories initialized in a superposition of different symmetry sectors always select a single one of them and remain there for the rest of the evolution. Here, we deepen this analysis and study in more detail the other type of non-ergodic physics present in the model, namely, the emergence of non-stationary dynamics in the thermodynamic limit. We complete our description of squeezed superradiance by analysing its metrological properties in terms of spin squeezing and by analysing the features that each of these critical phases imprint on the light emitted by the system.

연구 동기 및 목표

• 압축 초광방출 붕괴를 포함한 구동-소산 스핀 집합의 비평형 상도를 규명하기.
• 실수부가 0에 수렴하고 허수부가 유한한 급격히 감소하지 않는 리우빌 스펙트럼이 비에르고딕 동역학, 비가역적 동결 및 비정상적 행동을 가능하게 하는 역할을 연구하기.
• 리우빌 스펙트럼을 측정 가능한 방출 스펙트럼 및 스핀 압축과 같은 메트로로지적 성질과 연결하기.
• 비가역적 동결과 열역학적 양자 궤적의 1차 상전이 사이의 관계를 규명하기.
• 유한 체계에서 열역학적 한계에서 일반적으로 관찰되는 임계 현상이 나타날 수 있음을 보여주어 실험적 탐색 가능성을 제시하기.

제안 방법

• 상승 및 강하하는 집합 스핀 연산자를 포함한 압축된 집합 붕괴 채널을 갖는 리드블라드 마스터 방정식을 사용하여 시스템 모델링.
• 리우빌 수퍼연산자의 스펙트럼 분석을 통해 실수부가 0에 수렴하고 허수부가 유한한 임계 상을 식별.
• 양자 점프 형식을 활용하여 확률적 양자 궤적을 시뮬레이션하고 비가역적 동결의 발생 관찰.
• 리우빌의 왼쪽 및 오른쪽 고유벡터를 사용하여 방출 스펙트럼의 표현식 유도하고 스펙트럼 특징과 고유값 구조 연결.
• 스핀 압축을 메트로로지적 탐사도구로 사용하여 체계의 민감도 및 상전이 근처의 임계 행동 평가.
• 방출 스펙트럼에 나타나는 δ-피크가 실수부가 0이고 허수부가 유한한 고유값과 관련되어 있으며, 이는 유한한 검출기 대역폭에서 관측 가능한 피크로 넓어짐을 설명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동과 압축된 소산 간의 상호작용이 개방계 양자 다체계에서 비에르고딕 동역학을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 유한 체계에서 양자 궤적의 비가역적 동결을 유도하는 강한 대칭성의 역할은 무엇인가?
• RQ3 실수부가 0에 수렴하고 허수부가 유한한 리우빌 고유값은 방출 스펙트럼과 시간 상관관계에 어떻게 나타나는가?
• RQ4 방출된 빛의 스펙트럼 특징은 체계의 임계성과 상전이를 어떻게 반영하는가?
• RQ5 실수부가 0에 수렴하고 허수부가 유한한 리우빌 고유값을 갖는 유한 체계에서 열역학적 척도의 임계 행동, 예를 들어 라인 너비 감소 및 사이드밴드 피크를 나타내는가?

주요 결과

• 시스템은 실수부가 0에 수렴하고 허수부가 유한한 급격히 감소하지 않는 리우빌 스펙트럼을 갖는 임계 상을 나타내며, 이는 열역학적 한계에서 비정상적 동역학을 유도한다.
• 양자 궤적에서 비가역적 동결이 관측됨: 체계의 크기에 관계없이, 대칭성 영역의 초위상 상태에서 시작된 궤적들은 강한 대칭성 보호에 의해 항상 하나의 영역에 선택되어 머무른다.
• 방출 스펙트럼은 실수부가 0인 고유값에 해당하는 주파수에서 δ-피크를 보이며, 검출기 대역폭이 유한할 경우 이는 관측 가능한 사이드밴드로 넓어진다.
• 자기적-열적 상에서 리우빌 갭은 1/N 비율로 감소하며, 체계 크기가 증가함에 따라 스펙트럼 피크의 너비가 감소함으로써 실험적으로 확인됨.
• 압축 각도 θ를 열적 상으로 조정할 경우 방출 스펙트럼에 사이드밴드 피크가 나타나며, 이는 리우빌 갭의 닫힘을 시사한다.
• 이 모델은 열역학적 척도의 임계 현상, 예를 들어 라인 너비 감소와 급격히 감소하지 않는 모드의 스펙트럼 서명을 포함한 유한 체계에서 실험적으로 탐색 가능하게 하며, 이를 리우빌 스펙트럼과 양자 궤적의 열역학과 연결한다.