[论文解读] Breaking strong symmetries in dissipative quantum systems: the (non-)interacting bosonic chain coupled to a cavity

Catalin-Mihai Halati, Ameneh Sheikhan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2021

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文研究了与光学腔耦合的耗散性自旋玻色子链中的强对称性，表明由于守恒定律的存在，理想玻色子会表现出多个稳态。通过绝热消除和矩阵乘积态方法，研究发现即使对称性微弱破缺，系统也会直接跃迁至唯一稳态，并揭示了耗散性冻结现象——即在对称性破缺增强时，个别轨迹仍保留对称性保护的特征，随后逐渐消失。

ABSTRACT

In dissipative quantum systems, strong symmetries can lead to the existence of conservation laws and multiple steady states. The investigation of such strong symmetries and their consequences on the dynamics of the dissipative systems is still in its infancy. In this work we investigate a strong symmetry for bosonic atoms coupled to an optical cavity, an experimentally relevant system, using adiabatic elimination techniques and numerically exact matrix product state methods. We show the existence of multiple steady states for ideal bosons coupled to the cavity. We find that the introduction of a weak breaking of the strong symmetry by a small interaction term leads to a direct transition from multiple steady states to a unique steady state. We point out the phenomenon of dissipative freezing, the breaking of the conservation law at the level of individual realizations in the presence of the strong symmetry. For a weak breaking of the strong symmetry we see that the behavior of the individual trajectories still shows some signs of this dissipative freezing before it fades out for a larger symmetry breaking terms.

研究动机与目标

• 研究强对称性在耗散性量子系统中的作用，特别是玻色子链与光学腔耦合的情况。
• 确定在实验相关的设置中，此类对称性如何导致守恒定律和多重稳态的出现。
• 分析弱对称性破缺对稳态稳定性与结构的影响。
• 探索耗散性冻结现象，即尽管全局对称性被破缺，个别轨迹仍保留对称性保护的动力学特征。

提出的方法

• 采用绝热消除技术，推导出玻色子链-腔系统有效低能描述。
• 使用矩阵乘积态方法对开放量子系统动力学进行数值精确模拟。
• 在强对称性存在及受控扰动（微弱破缺对称性）条件下分析系统动力学。
• 计算稳态解，并根据对称性破缺强度评估其简并性或唯一性。
• 模拟单个量子轨迹，研究耗散性冻结效应的出现与衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 强对称性如何导致与腔耦合的耗散性玻色子系统中出现多重稳态？
• RQ2 当强对称性被微弱破缺时，稳态流形会发生什么变化？
• RQ3 在弱对称性破缺条件下，单个量子轨迹在多大程度上仍保留对称性保护的特征？
• RQ4 耗散性冻结是否在不同对称性破缺强度下持续存在，其演化过程如何？

主要发现

• 在无对称性破缺时，系统表现出多重稳态，表明由于强对称性导致的守恒量而产生简并。
• 一个微弱的相互作用项导致强对称性破缺，使系统从多重稳态直接跃迁至唯一稳态，中间无过渡相。
• 观察到耗散性冻结：即使全局稳态唯一，个别轨迹仍保留对守恒量的记忆。
• 随着对称性破缺项增强，耗散性冻结的特征逐渐消失，表明系统已过渡至对称性破缺的动力学 regime。