[论文解读] Adiabatic preparation of entangled, magnetically ordered states with cold bosons in optical lattices

Araceli Venegas‐Gomez, Johannes Schachenmayer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 68被引用 14

一句话总结

本文提出一种绝热升压协议，用于在光晶格中的双组分超冷玻色子中制备高度纠缠、磁序基态，该系统可映射为有效自旋-1/2和自旋-1模型。通过张量矩阵态模拟，表明这些态表现出显著增强的量子费舍尔信息（QFI），表明其具有鲁棒的计量学应用潜力，并显示纠缠生成对加热的耐受性优于保真度单独所暗示的水平。

ABSTRACT

We analyze a scheme for preparation of magnetically ordered states of two-component bosonic atoms in optical lattices. We compute the dynamics during adiabatic and optimized time-dependent ramps to produce ground states of effective spin Hamiltonians, and determine the robustness to decoherence for realistic experimental system sizes and timescales. Ramping parameters near a phase transition point in both effective spin-1/2 and spin-1 models produces entangled spin-symmetric states that have potential future applications in quantum enhanced measurement. The preparation of these states and their robustness to decoherence is quantified by computing the Quantum Fisher Information of final states. We identify that the generation of useful entanglement should in general be more robust to heating than it would be implied by the state fidelity, with corresponding implications for practical applications.

研究动机与目标

• 开发一种在光晶格中双组分超冷玻色子系统中制备磁序、纠缠基态的稳健协议。
• 利用量子费舍尔信息（QFI）量化此类态在量子计量学中的实用性。
• 分析绝热态制备在真实实验条件下对退相干和加热的稳定性。
• 研究在耗散存在下，态保真度与纠缠鲁棒性之间的关系。
• 识别在相变点附近能最大化计量学有用纠缠的最优升压参数。

提出的方法

• 在强局域相互作用的莫特绝缘体区域使用双组分玻色-哈伯德模型，通过二阶微扰理论推导有效自旋哈密顿量。
• 根据填充数（每格点n=1或n=2）将系统映射为有效自旋-1/2 XXZ和自旋-1海森堡模型。
• 使用张量矩阵态（MPS）技术模拟一维系统中时间演化和绝热升压过程，控制键维数。
• 计算最终态的量子费舍尔信息（QFI），以量化其计量学实用性及纠缠深度。
• 实施从具有能隙的初始态到相变点附近目标基态的绝热及优化时变升压过程。
• 在模拟中引入受控耗散（如加热），以评估在真实退相干条件下纠缠和QFI的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光晶格中的双组分超冷玻色子系统中，绝热升压是否能以高保真度和鲁棒性制备出磁序、纠缠基态？
• RQ2 在有效自旋-1/2和自旋-1模型的相变点附近，最终态的量子费舍尔信息（QFI）如何随系统尺寸变化？
• RQ3 与仅由态保真度预测的结果相比，计量学上有用的纠缠生成在多大程度上对加热更具鲁棒性？
• RQ4 在真实实验时间尺度下，何种升压协议（绝热 vs. 优化）能最大化QFI并最小化误差？
• RQ5 退相干的存在如何影响最终态的QFI和纠缠？在加热条件下，有用纠缠是否仍能持续存在？

主要发现

• 在自旋-1/2和自旋-1有效模型的相变点附近，绝热升压可产生具有显著增强量子费舍尔信息（QFI）的基态，表明其在量子计量学中具有高度潜力。
• QFI随系统尺寸呈亚扩展增长，表明生成的纠缠非平凡，且可用于超越标准量子极限。
• 该协议在真实系统尺寸（最多20个格点）和实验相关时间尺度下，成功制备出具有高保真度的自旋对称、纠缠态。
• 鲁棒性分析表明，纠缠生成对加热的耐受性优于保真度所暗示的水平，提示QFI是比保真度本身更优的实际应用指标。
• 优化时变升压协议在减少误差和提升QFI方面优于标准绝热协议，尤其在临界点附近表现更优。
• 研究证实，即使在中等退相干条件下，QFI仍保持较高水平，表明在实验可实现的加热范围内，有用纠缠仍可持久存在。