[논문 리뷰] Emergent dissipative quasi-particle picture in noninteracting Markovian open quantum systems

Federico Carollo, Vincenzo Alba|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 22.

Quantum many-body systems참고 문헌 72인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비상호작용 마코프성 열린 양자 시스템에서의 양자 엔트로피 역학을술어하기 위해 소산성 준입자 모형을 제안한다. 유체역학적 개념을 열린 시스템으로 확장함으로써, 소산 조건이 존재하더라도 준입자가 전파되면서 상관관계가 발생함을 보여주며, 혼합 상태에서 부분계 엔트로피를 효율적으로 계산할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Correlations between different regions of a quantum many-body system can be quantified through measures based on entropies of (reduced) subsystem states. For closed systems, several analytical and numerical tools, e.g., hydrodynamic theories or tensor networks, can accurately capture the time-evolution of subsystem entropies, thus allowing for a profound understanding of the unitary dynamics of quantum correlations. However, so far, these methods either cannot be applied to open quantum systems or do not permit an efficient computation of quantum entropies for mixed states. Here, we make progress in solving this issue by formulating a dissipative quasi-particle picture -- describing the dynamics of quantum entropies in the hydrodynamic limit -- for a general class of noninteracting open quantum systems. Our results show that also in dissipative many-body systems, correlations are generically established through the propagation of quasi-particles.

연구 동기 및 목표

• 소산이 존재하는 열린 다체계에서 양자 엔트로피를 효율적으로 계산할 수 있는 도구의 부족을 해결하기 위해.
• 닫힌 시스템에서 성공한 유체역학 및 준입자 프레임워크를 마코프성 소산이 존재하는 열린 양자 시스템으로 확장하기 위해.
• 비상호작용 열린 양자 시스템에서 상관관계의 진화 방식을 이해하기 위한 일반적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 마코프성 동역학 하에서 혼합 상태에서 부분계 엔트로피의 해석적 및 수치적 계산을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 비상호작용 페르미온 또는 보존 입자 자유도를 사용하여 열린 양자 시스템에 대한 유체역학적 근사 기술을 수립한다.
• 계통을 통해 전파되는 효과적인 준입자 진동을 도출하며, 이는 엔트로피 역학에 대한 정보를 반영한다.
• 효과적인 진동의 전파를 통해 시간에 따라 변화하는 부분계 엔트로피를 준입자 모형을 적용하여 계산한다.
• 린드블라드 마스터 방정식의 구조를 활용하여 마코프성 소산과 그 준입자 전파에 미치는 영향을 특성화한다.
• 시스템의 비상호작용 성격에 기반하여 엔트로피 진화에 대한 정확하거나 다루기 쉬운 해를 가능하게 한다.
• 소산 조건 하에서 준입자의 시공간적 확산과 엔트로피 역학의 상호 매핑을 수립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마코프성 소산이 존재하는 열린 양자 시스템에 대해 유체역학적 준입자 모형을 일반화할 수 있는가?
• RQ2 소산 조건이 존재하는 열린 양자 다체계에서 상관관계는 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ3 준입자 개념을 활용하여 혼합 상태에서 부분계 엔트로피를 얼마나 효율적으로 계산할 수 있는가?
• RQ4 소산 과정은 준입자를 통한 상관관계 전파의 기본 메커니즘을 변화시키는가?

주요 결과

• 비상호작용 마코프성 열린 양자 시스템에서 상관관계는 소산 조건이 존재하더라도 일반적으로 준입자의 전파를 통해 형성된다.
• 소산성 준입자 모형은 혼합 상태에서 부분계 엔트로피를 정확하고 효율적으로 계산할 수 있게 한다.
• 이 프레임워크는 닫힌 시스템에서의 유체역학적 통찰을 열린 시스템으로 확장하며, 준입자가 엔트로피 역학에서 수행하는 역할을 유지한다.
• 이 접근법은 장파장 및 천천히 변화하는 양이 동역학을 지배하는 유체역학 근사 범위에서도 유효하다.