[논문 리뷰] On the stability of dissipatively-prepared Mott insulators of photons

Orazio Scarlatella, Aashish A. Clerk외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 16.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 저장소 공 ingeneering를 활용하여 광학 시스템에서 소산적으로 준비된 모트 절연체 상의 안정성에 대해 연구한다. 이는 더블론 준위의 증식에 의해 유도되는 비평형 불안정성으로 인해 시스템이 비평형의 비고전적 리미트 사이클 상으로 전이되는 현상을 밝혀내며, 이는 기본 상태의 모트-초유전 전이와는 다릅니다. 이 불안정성은 힘줄이 임계 값 이상으로 증가할 때 발생하며, 펌프 강도와 상의 안정성 사이의 상충 관계를 드러내며, 임계 힘줄에 대한 임계 값 이상의 감도와 증폭 이득과 같은 측정 가능한 서명을 포함합니다.

ABSTRACT

Reservoir engineering is a powerful approach for using controlled driven-dissipative dynamics to prepare target quantum states and phases. In this work, we study a paradigmatic model that can realize a Mott insulator of photons in its steady-state. We show that, while in some regimes its steady state approximates a Mott-insulating ground state, this phase can become unstable through a non-equilibrium transition towards a coherent yet non-classical limit-cycle phase, driven by doublon excitations. This instability is completely distinct from the ground-state Mott-insulator to superfluid transition. This difference has dramatic observable consequences and leads to an intrinsic fragility of the steady-state Mott phase: a fast pump compared to losses is required to sustain the phase, but also determines a small critical hopping. We identify unique features of the steady-state Mott phase and its instability, that distinguish them from their ground-state counterpart and can be measured in experiments.

연구 동기 및 목표

• 광학 시스템에서 소산적으로 준비된 모트 절연체 상의 안정성을 이해하기 위해.
• 강제-소산 보즈-후브라드 격자에서 안정 상태의 모트 상이 붕괴되는 메커니즘을 규명하기 위해.
• 비평형 전이가 전통적인 기본 상태의 모트-초유전 전이와 어떻게 다를지 구분하기 위해.
• 불안정성과 모트 상에 대한 실험적으로 측정 가능한 서명을 식별하기 위해.
• 빠른 펌프와 손실 속도가 모트 상 안정성의 임계 힘줄을 결정하는 데 미치는 역할을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 비가역적 펌프를 갖는 구조화된 저장소와 결합된 손실이 있는 보즈-후브라드 격자를 모델링하기 위해 린드블라드 마스터 방정식을 사용한다.
• 오더 파라미터의 역학을 분석하고 안정 상태 상을 식별하기 위해 구트윌러 평균장 이론을 적용한다.
• 모트 상이 불안정해지고 리미트 사이클 상으로 전이되는 데 필요한 임계 힘줄 강도 Jc를 계산한다.
• 더블론 준위 에너지에서의 감도의 발산을 포함한 스펙트럼 특성을 분석한다.
• 비평형 상도도도와 기본 상태의 모트-초유전 전이를 비교하여 정성적인 차이점을 부각한다.
• 불안정한 영역에서 증폭 이득과 더블론 준위의 증식과 같은 측정 가능한 서명을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 시스템에서 소산적으로 준비된 모트 절연체 상이 불안정해지는 원인은 무엇인가요?
• RQ2 비평형 상태에서 리미트 사이클 상으로의 전이가 기본 상태의 모트-초유전 전이와 어떻게 다릅니까?
• RQ3 펌프 대 손실 비율이 모트 상 안정성의 임계 힘줄을 결정하는 데 어떤 역할을 합니까?
• RQ4 어떤 고유한 실험적 서명이 안정 상태의 모트 상과 그 불안정성, 그리고 기본 상태의 대응 상과를 식별합니까?
• RQ5 더블론 준위의 존재가 시스템을 비결정적인 비고전적 리미트 사이클 상으로 이끄는 방식은 무엇입니까?

주요 결과

• 힘줄이 임계 값 Jc를 초과할 경우, 더블론 준위의 증식에 의해 비평형 전이로 인해 모트 절연체 상이 불안정해지고, 이는 일관된 리미트 사이클 상으로 전이된다.
• 이 불안정성은 기본 상태의 모트-초유전 전이와 다릅니다. 상도도와 역학이 정성적으로 다릅니다.
• 모트 상을 유지하기 위해 필요한 빠른 펌프는 임계 힘줄 Jc를 작게 만들며, 이는 정확도와 안정성 사이의 상충 관계를 야기한다.
• 더블론 준위 에너지에서 감도가 발산하는 현상이 나타나며, 이는 불안정성의 고유한 서명이다.
• 증폭 이득과 더블론 준위의 증식은 불안정성의 측정 가능한 실험적 지표로 기능한다.
• 펌프 대 손실 비율 r이 증가함에 따라 임계 힘줄 Jc는 감소하며, r이 증가함에 따라 더블론 에너지 ωdoub에 수렴한다.