[論文レビュー] Non-stationary dynamics and dissipative freezing in squeezed superradiance

Carlos Sánchez Muñoz, Berislav Buča+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、スピン集合系における非定常的ダイナミクスと散逸的凍結を、歪みのある超放射性崩壊を伴うコherent駆動下で調査し、ギャップレスLiouvillianスペクトルと関連する臨界非平衡相を明らかにした。散逸的凍結は強い対称性に起因し、系のサイズにかかわらず量子軌道が単一の対称性セクターに選択され、そのままである。一方、非定常的ダイナミクスは、熱力学的極限において実部がゼロで虚部が有限である固有値によって生じる。

ABSTRACT

In this work, we study the driven-dissipative dynamics of a coherently-driven spin ensemble with a squeezed, superradiant decay. This decay consists of a sum of both raising and lowering collective spin operators with a tunable weight. The model presents different critical non-equilibrium phases with a gapless Liouvillian that are associated to particular symmetries and that give rise to distinct kinds of non-ergodic dynamics. In Ref. [1] we focus on the case of a strong-symmetry and use this model to introduce and discuss the effect of dissipative freezing, where, regardless of the system size, stochastic quantum trajectories initialized in a superposition of different symmetry sectors always select a single one of them and remain there for the rest of the evolution. Here, we deepen this analysis and study in more detail the other type of non-ergodic physics present in the model, namely, the emergence of non-stationary dynamics in the thermodynamic limit. We complete our description of squeezed superradiance by analysing its metrological properties in terms of spin squeezing and by analysing the features that each of these critical phases imprint on the light emitted by the system.

研究の動機と目的

• 駆動・散逸的スピン集合系における歪みのある超放射性崩壊の非平衡相図を特徴づけること。
• ギャップレスLiouvillianスペクトルが、散逸的凍結や非定常的挙動を含む非エルゴード的ダイナミクスを可能にする役割を調査すること。
• Liouvillianスペクトルと測定可能な発光スペクトル、およびスピンスプライシングなどの計測的性質との関連を確立すること。
• 量子軌道の熱力学における1次相転移と散逸的凍結の関連を明確にすること。
• 有限サイズ系が、熱力学的極限に特徴づけられる臨界現象を示すことができることを示し、実験的探査を可能にすること。

提案手法

• 上昇・下降の集団スピン演算子を含む、歪みのある集団的崩壊チャネルを有するLindbladマスター方程式を用いて系をモデル化すること。
• Liouvillian超演算子のスペクトルを解析し、実部がゼロで虚部が有限である臨界相を同定すること。
• 量子ジャンプ形式を用いて確率的量子軌道をシミュレートし、散逸的凍結の出現を観測すること。
• Liouvillianの左・右固有ベクトルを用いて発光スペクトルの式を導出し、スペクトル特徴と固有値構造を関連させること。
• スピンスプライシングを計測的プローブとして用い、相転移付近での系の感度と臨界的挙動を評価すること。
• 発光スペクトルに現れるδピークが、実部がゼロで虚部が有限の固有値に対応することを示し、有限の検出器帯域幅の下でピークが広がり、観測可能なサイドバンドを形成すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動と歪みのある散逸の相互作用が、オープンな量子多体系における非エルゴード的ダイナミクスをどのように引き起こすか？
• RQ2 有限サイズ系の量子軌道における散逸的凍結を引き起こす強い対称性の役割は何か？
• RQ3 実部がゼロで虚部が有限のLiouvillian固有値が、発光スペクトルおよび時間相関にどのように現れるか？
• RQ4 放出光のスペクトル的特徴は、系の背後にある臨界性および相転移をどのように反映するか？
• RQ5 ギャップレスLiouvillianを有する有限サイズ系は、熱力学的スケールの臨界挙動の兆候、例えば線幅収縮やサイドバンドピークを示すことができるか？

主な発見

• 系はギャップレスLiouvillianスペクトルを示す臨界相にあり、固有値の実部がゼロで虚部が有限であるため、熱力学的極限において非定常的ダイナミクスが生じる。
• 量子軌道において散逸的凍結が観測された：系のサイズにかかわらず、対称性セクターの重ね合わせ状態から初期化された軌道は、強い対称性保護により、動的に単一のセクターに選択され、そのままである。
• 発光スペクトルには、実部がゼロの固有値に対応する周波数にδピークが現れ、検出器帯域幅が有限であると、これが観測可能なサイドバンドに広がる。
• 強磁性-熱的相におけるLiouvillianギャップは1/Nに比例して閉じるが、これは系サイズの増加に伴うスペクトルピーク幅の減少によって実験的に確認された。
• スレーシング角度θを熱的相に調整すると、発光スペクトルにサイドバンドピークが出現し、Liouvillianギャップの閉じることを示唆する。
• 本モデルにより、有限系においても線幅収縮やギャップレスモードのスペクトル的兆候といった、熱力学的スケールの臨界現象を実験的に探査可能となり、Liouvillianスペクトルおよび量子軌道の熱力学と結びついた。