[논문 리뷰] Tuneable interacting bosons for relativistic and quantum information processing

Chester Moore, David Edward Bruschi|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 08.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 매끄럽게 켜지고 꺼지는 시간에 따라 변하는 두 모드 스트레칭 해밀토니안 하에서 상호작용하는 두 모드 보스온의 시간 진화에 대한 해석적 해를 유도한다. 입자 수, 얽힘, 에너지 변화에 대한 정확한 표현을 드러내어 양자 정보 및 상대론적 양자 시스템에서 정밀한 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We study the full time evolution of a system of two modes of a bosonic quantum field that interact through quadratic hamiltonians. We specialise to a time dependent two-mode squeezing Hamiltonian where the coupling is switched on and off smoothly. We find the analytical solutions to the time evolution after the interaction is turned off, which apply to arbitrary coupling functions. We investigate the final state of the system and compute all physically relevant quantities, such as average particle number, entanglement and change in energy. Our techniques can be applied to a wide range of scenarios, which include implementations of time dependent two-mode squeezing, coupled harmonic oscillators, harmonic oscillators coupled to light. Furthermore, these techniques can be extended to more complicated time-dependent quadratic Hamiltonians. We briefly discuss possible applications within the area of relativistic and quantum information.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변하는 이차 해밀토니안 하에서 두 모드 보스온 시스템의 전체 시간 진화를 모델링하기 위해.
• 상호작용이 끝난 후에도 임의의 결합 함수에 적용 가능한 정확한 해석적 해를 유도하기 위해.
• 평균 입자 수, 얽힘, 에너지 변화와 같은 핵심 물리적 양을 계산하기 위해.
• 결합된 조화 진동자 및 빛-물질 상호작용과 같은 시스템에 이 방법의 광범위한 적용 가능성을 보여주기 위해.
• 상대론적 및 양자 정보 처리 분야에서의 잠재적 응용을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 결합 강도가 매끄럽게 켼/끄임되는 시간에 따라 변하는 두 모드 스트레칭 해밀토니안을 사용한다.
• 임의의 결합 함수에 대해 시간 진화 방정식을 해석적으로 풀이한다.
• 양자 광학 및 시간에 따라 변하는 이차 해밀토니안의 기법을 적용하여 정확한 최종 상태 표현을 유도한다.
• 유도된 시간에 따라 진화한 상태를 사용하여 물리적 관측량의 기대값을 계산한다.
• 두 모드 스트레칭을 초월하여 보다 복잡한 시간에 따라 변하는 이차 해밀토니안에 이 프레임워크를 확장한다.
• 표준 양자장 이론과 보스온 연산자 형식을 사용하여 시스템 역학을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 결합 함수를 가진 시간에 따라 변하는 두 모드 스트레칭 해밀토니안 하에서 시스템은 어떻게 진화하는가?
• RQ2 상호작용이 끝난 후 입자 수, 얽힘, 에너지 변화에 대한 정확한 표현은 무엇인가?
• RQ3 해석적 해는 결합된 조화 진동자 또는 빛-물질 결합과 같은 다른 시스템으로 어떻게 일반화될 수 있는가?
• RQ4 결합 강도의 매끄러운 켜짐/끄짐이 물리적으로 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 상대론적 및 양자 정보 처리 분야에서의 잠재적 응용은 무엇인가?

주요 결과

• 상호작용이 끝난 후에도 임의의 결합 함수에 대해 정확한 해석적 해가 도출되었으며, 이는 유효하다.
• 시스템의 최종 상태는 평균 입자 수, 얽힘, 에너지 변화를 포함하여 완전히 특징지어진다.
• 얽힘과 입자 수는 결합 함수의 형태와 지속 시간에 명시적으로 의존한다.
• 이 방법은 결합된 조화 진동자 및 빛-물질 상호작용과 같은 시스템에 광범위하게 적용 가능하다.
• 이 프레임워크는 더 복잡한 시간에 따라 변하는 이차 해밀토니안으로 확장될 수 있다.
• 결과는 양자 정보 및 상대론적 양자 시스템에서 정밀한 제어를 위한 기초를 제공한다.