[论文解读] Dissipative generation of highly entangled states of light and matter

Catalin-Mihai Halati, Ameneh Sheikhan+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本文研究了在链状超冷玻色子的腔QED系统中，通过耗散机制生成高度纠缠的原子与光子态。通过将矩阵乘积态和绝热消除技术扩展至包含全局腔耦合和开放系统动力学，研究发现强耗散会导致原子稳态完全混合——这与平均场理论预测截然不同——凸显了多体退相干在自组织中的作用。

ABSTRACT

We investigate the full quantum evolution of ultracold interacting bosonic atoms on a chain and coupled to an optical cavity. Extending the time-dependent matrix product state techniques and the many-body adiabatic elimination technique to capture the global coupling to the cavity mode and the open nature of the cavity, we examine the long time behavior of the system beyond the mean-field elimination of the cavity field. We investigate the many body steady states and the self-organization transition for a wide range of parameters. We show that in the self-organized phase the steady state consists in a mixture of the mean-field predicted density wave states and excited states with additional defects. In particular, for large dissipation strengths a steady state with a fully mixed atomic sector is obtained crucially different from the predicted mean-field state.

研究动机与目标

• 理解耗散在腔耦合超冷原子系统中生成纠缠多体态的作用。
• 研究由于开放系统动力学导致的自组织相中平均场描述的失效。
• 探索在全局腔耦合与耗散存在下，超越平均场预测的稳态的出现。
• 表征自组织相中多体稳态的结构，包括缺陷态与混合原子区。

提出的方法

• 将时间依赖的矩阵乘积态技术扩展至模拟具有全局腔耦合的开放量子多体动力学。
• 将多体绝热消除方法进行适应性调整，以考虑腔模的完整量子动力学与耗散。
• 将腔的开放性纳入模拟框架，以捕捉非马尔可夫与耗散效应。
• 通过长时间演化数值模拟，获取超越平均场近似的稳态性质。
• 分析稳态密度矩阵，识别自组织相中混合态与缺陷激发。
• 将结果与平均场预测进行比较，量化由耗散与纠缠导致的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在腔-QED设置中，强耗散如何改变自组织多体系统的稳态结构？
• RQ2 多体效应与纠缠在多大程度上使平均场理论对原子稳态的预测失效？
• RQ3 腔诱导的耗散与全局耦合在生成非平凡量子关联中扮演何种角色？
• RQ4 在强耗散下，完全混合的原子态是否可能作为稳态出现？其对相干性有何影响？
• RQ5 缺陷激发与激发态在自组织相的稳态性质中起到何种贡献？

主要发现

• 在自组织相中，稳态并非纯的平均场密度波，而是平均场态与额外缺陷的激发态的混合。
• 在大耗散强度下，原子子系统达到完全混合的稳态，这与平均场理论预测的纯态有本质不同。
• 完全混合原子态的出现表明，由于强耗散与多体退相干，平均场描述发生崩溃。
• 系统表现出长时间动力学，其中量子关联与耗散共同塑造稳态，显著偏离平均场预期。
• 引入全局腔耦合与开放系统效应后，揭示出比以往平均场或微扰方法更丰富的稳态结构。