[논문 리뷰] Stabilization of product states and excited-state quantum phase transitions in a coupled qubit-field system

Pavel Stránský, Pavel Cejnar외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 18.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 95인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 파리티 보존 및 파리티 위반 상호작용을 모두 포함하는 큐비트-장 시스템에서의 양자 상전이를 조사하며, 초강력 결합 조건에서 산란 상태의 동적 안정화—특히 진공 유사 큐비트-장 상태—를 보여준다. 이 안정화 현상은 고립 상태 양자 상전이(ESQPT)에 기인하며, 상호작용 매개변수에 따라 안정성에 급격한 변화가 발생하여 양자 시뮬레이터 및 양자 정보 플랫폼에서 실험적으로 검출 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We study a system of a single qubit (or a few qubits) interacting with a soft-mode bosonic field. Considering an extended version of the Rabi model with both parity-conserving and parity-violating interactions, we disclose a complex arrangement of quantum phase transitions in the ground- and excited-state domains. An experimentally testable signature of some of these transitions is a dynamical stabilization of a fully factorized qubit-field state involving the field vacuum. It happens in the ultrastrong coupling regime where the superradiant field equilibrium is far from the vacuum state. The degree of stabilization varies abruptly with interaction parameters and increases with the softness of the field mode. We analyze semiclassical origins of these effects and show their connection to various forms of excited-state quantum phase transitions.

연구 동기 및 목표

• 파리티 보존 및 파리티 위반 상호작용을 모두 포함하는 단일 큐비트가 연장된 소프트 모드 보스온 장과 결합된 시스템에서의 양자 상전이의 발생 원리를 이해하는 것.
• 초기에는 분리된 큐비트-장 상태(예: |ψ⟩⊗N ⊗|0⟩)가 강한 결합 조건에서도 여전히 동적으로 안정화되는 조건을 조사하는 것.
• 고립 상태 양자 상전이(ESQPT)가 비평형 양자 상태를 안정화하는 데 수행하는 역할을 규명하는 것.
• 소규모 실험적으로 실현 가능한 시스템에서 반고전적 역학과 고전적 에너지 경로와의 연결을 통해 양자 임계 행동을 이해하는 것.
• 초강력 결합 영역에서 인과 상태의 안정화를 통해 ESQPT의 실험적으로 검증 가능한 서명을 제공하는 것.

제안 방법

• 파리티 보존 및 파리티 위반 상호작용을 모두 포함하는 조정 가능한 매개변수(λ, δ, µ, γ)를 가진 확장된 라비 모델을 수립한다.
• 해밀토니안의 고전적 근사에서 안장점과 에너지 경로상의 임계 구조를 분석하여 ESQPT 존재 여부를 확인한다.
• 정확한 대각화와 양자 스펙트럼의 수치 분석을 통해 상의 구조를 매핑하며, 기초 상태 및 고립 상태 전이를 포함한다.
• 초강력 결합 영역에서 초기에 준비된 인과 상태(큐비트는 |ψ⟩⊗N, 장은 진공 |0⟩)의 시간 진화를 추적한다.
• 초기 상태의 생존 진폭을 통해 안정성을 정량화하며, ESQPT와 관련된 급격한 변화를 식별한다.
• 진공 유사 상태의 안정성과 고전적 위상공간 내 준정적 점 사이의 연관성을 연결한다. 이는 진짜 기초 상태가 초방사 상태일지라도 성립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큐비트와 보스온 장의 인과 상태가 초강력 결합 조건에서 어떻게 동적으로 안정화되는가?
• RQ2 혼합된 파리티 보존 및 파리티 위반 상호작용을 포함하는 결합된 큐비트-장 시스템에서 고립 상태 양자 상전이(ESQPT)가 에너지 스펙트럼에 어떻게 나타나는가?
• RQ3 장의 소프트성(저에너지 진동)이 인과 상태의 안정도를 높이는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 반고전적 구조(예: 고전적 에너지 경로상의 안장점)는 양자 상전이와 동적 안정성과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 비평형 인과 상태의 안정화가 소규모 양자 시스템에서 ESQPT의 실험적으로 검출 가능한 서명이 될 수 있는가?

주요 결과

• 진공 유사 인과 상태 |ψ⟩⊗N ⊗|0⟩는 시스템의 평형 상태가 초방사 상태일지라도 ESQPT 존재로 인해 상당한 동적 안정성을 보인다.
• 안정도는 상호작용 매개변수(λ, δ, µ)에 따라 급격히 변화하며, 강한 결합일수록 안정성이 증가하는 비단조화적 행동을 보인다.
• 더 소프트한 장 모드(낮은 에너지 갭)를 가진 시스템에서 안정도가 가장 두드러지며, 이는 장 진동 에너지가 감소할수록 효과가 증가한다.
• 이 안정화 메커니즘은 에너지 경로상의 준정적 고전적 점에서 기인하며, 이는 ESQPT와 관련된 임계 행동과 연결되어 있다.
• 파리티 위반 상호작용(δ ≠ 0) 존재 시 상도도가 재구성되며, 새로운 유형의 ESQPT를 도입하고 양자 간섭 성질을 수정한다.
• 결과적으로 ESQPT에 대한 직접적이고 실험적으로 검증 가능한 서명을 제공한다: 초기 인과 상태의 생존 진폭은 임계 매개변수와 관련된 날카운 전이를 보이며, 초전도 회로 및 트랩된 이온에서 관측 가능하다.