[論文レビュー] On the stability of dissipatively-prepared Mott insulators of photons

Orazio Scarlatella, Aashish A. Clerk+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、リザーバー工学を用いて、光子系における散逸的につくられたモット絶縁体相の安定性を調査する。非平衡不安定性がダブルトン励起に起因し、系が古典的でない限界周期状態へと遷移する。これは、基底状態のモット-スーパーフルイド転移とは異なる。 hopping が臨界値を超えると不安定性が発生し、ポンプ強度と位相安定性のトレードオフが明らかになる。顕著な兆候として、発散する感受率と増幅利得が観測される。

ABSTRACT

Reservoir engineering is a powerful approach for using controlled driven-dissipative dynamics to prepare target quantum states and phases. In this work, we study a paradigmatic model that can realize a Mott insulator of photons in its steady-state. We show that, while in some regimes its steady state approximates a Mott-insulating ground state, this phase can become unstable through a non-equilibrium transition towards a coherent yet non-classical limit-cycle phase, driven by doublon excitations. This instability is completely distinct from the ground-state Mott-insulator to superfluid transition. This difference has dramatic observable consequences and leads to an intrinsic fragility of the steady-state Mott phase: a fast pump compared to losses is required to sustain the phase, but also determines a small critical hopping. We identify unique features of the steady-state Mott phase and its instability, that distinguish them from their ground-state counterpart and can be measured in experiments.

研究の動機と目的

• 光子系における散逸的に準備されたモット絶縁体相の安定性を理解すること。
• 駆動・散逸系ボーズ＝ハッブル乱流における定常状態モット相の崩壊のメカニズムを特定すること。
• 非平衡転移と従来の基底状態モット-スーパーフルイド転移を区別すること。
• 不安定性およびモット相の実験的測定可能な兆候を特定すること。
• 高速なポンプおよび損失レートがモット相の安定性の臨界 hopping を決定する役割を明確にすること。

提案手法

• 非一様ポンピングを有する構造化されたリザーバーと結合した損失のあるボーズ＝ハッブル格子をモデル化するため、リンドブラッドマスター方程式を用いる。
• オーダーパラメータのダイナミクスを分析し、定常状態相を同定するために、ガッツヴィラー平均場理論を適用する。
• モット相が不安定化し、限界周期相へと遷移する臨界 hopping 強度 Jc を計算する。
• ダブルトン励起エネルギーにおける感受率の発散を含む、スペクトル的性質を分析する。
• 非平衡相図と基底状態モット-スーパーフルイド転移を比較し、定性的な相違を強調する。
• 不安定領域における増幅利得やダブルトン励起の増幅を含む、測定可能な兆候を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 散逸的に準備された光子系におけるモット絶縁体相の不安定性の原因は何か？
• RQ2 限界周期相への非平衡転移は、基底状態モット-スーパーフルイド転移とどのように異なるか？
• RQ3 ポンプ対損失比がモット相の安定性のための臨界 hopping を決定する役割は何か？
• RQ4 どのような特徴的な実験的兆候が、定常状態モット相およびその不安定性を基底状態の対応物から区別できるか？
• RQ5 ダブルトン励起の増幅が、系を秩序的ではあるが古典的でない限界周期状態へと駆動するメカニズムは何か？

主な発見

• hopping が臨界値 Jc を超えると、ダブルトン励起の増幅に起因する非平衡転移により、モット絶縁体相は秩序的で限界周期状態へと不安定化する。
• この不安定性は、基底状態モット-スーパーフルイド転移とは異なり、相図とダイナミクスの点で本質的に異なる。
• モット相を維持するために必要な高速ポンプは、臨界 hopping Jc を小さくするが、忠実度と安定性のトレードオフを生じる。
• ダブルトン励起エネルギーにおいて感受率が発散するという、不安定性の独自の兆候が観測される。
• 増幅利得とダブルトン励起の増幅は、不安定性の実験的測定可能な指標として機能する。
• 臨界 hopping Jc はポンプ対損失比 r が増加するにつれて減少し、r が増加するにつれてダブルトンエネルギー ωdoub に近づく。