[论文解读] Dynamical creation and detection of entangled many-body states in a chiral atom chain

Giuseppe Buonaiuto, Ryan Jones+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本文提出利用导波模式中的光子计数统计，动态检测并表征耦合至波导的螺旋原子链中纠缠的多体态。通过分析发射光子的标度累积量生成函数（SCGF），该方法揭示了暗纠缠态，并实现了对复杂动力学行为的原位探测，包括纠缠态与混合态共存的现象，即使在存在非导波模式光子发射等实验缺陷的情况下亦然。

ABSTRACT

Open quantum systems with chiral interactions can be realized by coupling atoms to guided radiation modes in waveguides or optical fibres. In their steady state these systems can feature intricate many-body phases such as entangled dark states, but their detection and characterization remains a challenge. Here we show how such collective phenomena can be uncovered through monitoring the record of photons emitted into the guided modes. This permits the identification of dark entangled states but furthermore offers novel capabilities for probing complex dynamical behavior, such as the coexistence of a dark entangled and a mixed phase. Our results are of direct relevance for current experiments, as they provide a framework for probing, characterizing and classifying dynamical features of chiral light-matter systems.

研究动机与目标

• 开发一种用于探测和表征耦合至波导的螺旋原子链中纠缠多体态的方法。
• 解决实验挑战：识别因退相干保护而难以探测的暗纠缠态。
• 探索螺旋光-物质系统动力学行为，特别是暗纠缠相与混合相的共存现象。
• 评估在真实实验缺陷（如向非导波模式发射）下的检测方法鲁棒性。
• 建立光子发射统计与原子链底层量子态之间的框架，以用于量子模拟与信息处理。

提出的方法

• 本研究采用标度累积量生成函数（SCGF）形式化方法，分析波导左右导波模式中发射光子的计数统计。
• 利用SCGF提取偏置量子态，揭示光子计数下的有效动力学，从而实现对暗态与混合态的识别。
• 采用林德布拉德主方程建模原子链的开放量子动力学，包括相干激光驱动、通过导波模式实现的螺旋偶极-偶极相互作用，以及向非导波模式的自发发射。
• 该方法结合大偏差原理，将光子统计与多体系统的稳态特性联系起来。
• 针对两种失谐模式（均匀与交替）进行数值模拟，以探测不同的多体相。
• 通过展示光子发射速率和偏置态纯度中的特征性行为可直接指示暗纠缠态或相共存的存在，从而验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用导波模式中的光子计数统计来探测和表征螺旋原子链中的纠缠多体态？
• RQ2 SCGF形式化方法如何实现对暗纠缠态及其动力学生长波动的识别？
• RQ3 当引入非导波模式光子发射作为实验缺陷时，纠缠态的探测将如何变化？
• RQ4 能否通过光子统计观测并表征暗纠缠相与混合相的共存？
• RQ5 在不同失谐模式（如交替与均匀失谐）下，系统动力学行为如何变化？

主要发现

• 光子发射的SCGF揭示了暗纠缠相与混合相之间的清晰相变，其中前者对应于纯化的二聚化态。
• 在均匀失谐情况下，系统表现出明确的相变：暗态在光子统计下稳定且可探测；而随着非导波发射速率 $Γ$ 增加，SCGF中的尖锐特征逐渐被抑制。
• 在交替失谐情况下，即使稳态变为混合态，纯化的二聚暗态也仅作为非导波发射存在时间歇性光子发射动力学中的涨落而出现。
• 随着非导波发射速率增加，偏置态的纯度下降，表明向混合相的转变，但SCGF的特征性行为仍作为动力学共存的标志持续存在。
• 在交替失谐情况下，当 $Γ$ 较小时，光子发射记录表现出间歇性行为，这是暗纠缠相与混合相共存的直接实验信号。
• 暗二聚态的解析形式被推导为 $\rho_{\mathrm{dimer}} = \bigotimes_{j=1}^{N/2} \ket{D}_{2j-1,2j}\bra{D}$，其中 $\ket{D} \propto \ket{gg} + \beta(\ket{ge} - \ket{eg})$，且 $\beta = -2\Omega/(2\delta + i\Delta\gamma)$。