[논문 리뷰] Zeno and anti-Zeno effect in an open quantum system in the ultrastrong-coupling regime

Shu He, Qing‐Hu Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 01.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 55인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 양자 Zeno (QZE) 및 반-Zeno (QAZE) 효과가 강하게 결합된 두 수준 시스템에서 조화 진동자 환경(스핀-보존 모델)에 대해 수치적으로 정확한 행렬 곱 상태(MPS) 방법을 시간의존 변분원리(TDVP) 기반으로 사용하여 조사한다. 기존에 반진동항목을 부분적으로 고려한 단위 변환 방법에 기반한 연구에서 강한 결합에서 QZE에서 QAZE로의 전이가 억제된다고 여겨졌으나, 물리적 환경 초기 상태일 경우 초강력 결합 영역에서 이 전이가 재등장함을 밝혀내었으며, 현실적인 큐비트 전용 측정에서 이 전이는 조건없이 유지되며, 중간 측정 간격에서는 가속된 붕괴가 관찰된다.

ABSTRACT

We study the quantum Zeno effect (QZE) and quantum anti-Zeno effect (QAZE) of a two-level system interacting with an environment of harmonic oscillators, the spin-boson model. By applying a numerically exact method based on matrix product states, the previously obtained picture on the influence of counter-rotating terms has to be modified: For physical bath initial states, the transition from QZE to QAZE with increasing measurement interval is only absent at weak coupling, while present at strong coupling. Furthermore, we find that the transition occurs always for the widely used bare bath initial state. Within a more realistic measurement scheme where only the qubit is projectively measured, the above scenario for the bare bath initial state remains qualitatively unchanged, apart from accelerated decay for intermediate measurement intervals.

연구 동기 및 목표

• 회전파프로ximity 근사 이외의 초강력 결합 영역에서 양자 Zeno 및 반-Zeno 효과를 조사하기 위해.
• 반진동항목을 부분적으로 고려한 단위 변환 방법에 기반한 이전 결과의 타당성을 평가하기 위해.
• 큐비트만 투영하는, 전체 시스템을 투영하지 않는 현실적인 측정 기법이 QZE-QAZE 전이에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 비가역성-가역성 전이 또는 국소화-비국소화 상전이가 이 영역에서 Zeno 동역학에 영향을 미치는지 판단하기 위해.
• 오믹 및 서브-오믹 환경에서 Zeno 효과를 수치적으로 정확하게 분석하기 위해 고효율의 MPS 기반 방법을 사용하기 위해.

제안 방법

• 개방 양자 시스템의 동역학을 시뮬레이션하기 위해 수치적으로 정확한 시간의존 변분원리(TDVP)를 사용한 행렬 곱 상태(MPS) 방법을 적용하였다.
• 스핀-보존 해밀토니언을 인접한 이웃 상호작용을 갖는 1차원 체인 모델로 변환하기 위해 수직다항식 매핑을 사용하였다.
• 시간 진동에서 큰 환경 변동을 효율적으로 포착하기 위해 감소된 절단 차원(dO,k ≪ dk)을 갖는 최적화된 보존 기저를 적용하였다.
• 통합 오차를 최소화하기 위해 TDVP 프레임워크 내에서 Lie-Trotter 분할을 사용하여 작은 시간 단계로 시스템을 진화시켰다.
• 측정 기법의 영향을 비교하기 위해 벌거장식 상태 및 물리적으로 준비된 환경 초기 상태 모두에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
• 기존의 단위 변환 방법과의 비교를 통해 결과를 검증하였으며, 스펙트럼 함수(오믹 및 서브-오믹)의 역할을 탐구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반진동항목을 완전히 고려할 경우 초강력 결합 영역에서 QZE에서 QAZE로의 전이가 유지되는가?
• RQ2 환경의 초기 상태(벌거장식 대비 물리적)가 QZE-QAZE 전이 발생에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 전체 시스템 대신 큐비트만 측정할 경우 Zeno 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 비가역성-가역성 전이 또는 국소화-비국소화 상전이가 이 영역에서 Zeno 효과에 조절 기능을 하는가?
• RQ5 현실적인 측정 프로토콜에서 측정 간격은 붕괴 속도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 물리적 환경 초기 상태일 경우, 약한 결합에서는 QZE에서 QAZE로의 전이가 관찰되지 않지만, 강한 결합 영역에서는 재등장하며, 이는 이전의 단위 변환 기반 연구와 정면으로 배치된다.
• 반면, 널리 사용되는 벌거장식 초기 상태에서는 결합 강도에 관계없이 QZE에서 QAZE로의 전이가 항상 발생한다.
• 큐비트만 투영하는 현실적인 측정 기법 하에서, QZE-QAZE 전이는 모든 결합 강도에서 유지되며, 중간 측정 간격에서는 더 빠른 붕괴 속도가 관찰된다.
• 이 전이는 오믹 및 서브-오믹 환경 모두에서 강건하게 유지되어, 비가역성-가역성 전이 또는 국소화-비국소화 상전이에 의존하지 않음을 시사한다.
• 수치적으로 정확한 MPS-TDVP 방법은 비마르코프 동역학과 환경 변동을 효과적으로 포착하여, 표준 근사 이론을 초월한 Zeno 효과의 신뢰할 수 있는 연구를 가능하게 하였다.