[论文解读] Dynamical engineering of squeezed thermal states

Léonce Dupays, Aurélia Chenu|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于绝热捷径的动力工程方法，可在谐振子的幺正和开放量子动力学下，快速制备压缩热态。通过推导反绝热哈密顿量和定制耗散项，该方法可在受控温度和熵下实现任意时间的此类态制备，且在基于随机驱动拉曼跃迁的离子阱系统中，给出了激光振幅、相位和退相干的显式解。

ABSTRACT

Control protocols known as shortcuts to adiabaticity allow to drive a quantum system from an initial to a final state arbitrarily fast. These techniques have recently been proposed for open quantum systems, thus extending their application to allow for fast thermalization. Here, we engineer dynamical schemes for the fast preparation of squeezed thermal states at controlled temperature. We derive the equations of motion of squeezed thermal states in harmonic oscillators under unitary and open dynamics, allowing for temperature and entropy variations between the initial and final states. The counter-diabatic Hamiltonians and associated dissipators are provided, and whenever possible, given in a form relevant to experimental application.The technique is detailed in the setting of trapped-ion experiments with two-photon Raman interaction, where the desired open dynamics is obtained from stochastically shaking the trapping potential, or driving the system with a laser of stochastic amplitude. In this context, we find solutions for the control parameters---namely laser amplitude, phase, and dephasing strength---that allow creating a squeezed thermal state at controlled temperature in arbitrary time.

研究动机与目标

• 开发用于开放量子系统中快速制备压缩热态的非绝热协议。
• 将绝热捷径方法扩展至开放系统，实现快速热化与熵控制。
• 为实现离子阱平台中所需动力学，提供实验相关的控制参数——激光振幅、相位和退相干。
• 推导在幺正与开放动力学下压缩热态的运动方程，允许任意初始与最终温度和熵。
• 通过双光子拉曼跃迁结合随机驱动，展示在真实离子阱实验中实现的可行性。

提出的方法

• 推导在幺正与开放动力学下，谐振子中压缩热态的运动方程，整合温度与熵的变化。
• 构建反绝热哈密顿量，以抑制快速态工程过程中的非绝热激发。
• 设计与目标动力学兼容的耗散项，以实现在受控温度下的快速热化。
• 将控制协议映射到实验可实现的参数：离子阱系统中的激光振幅、相位与退相干强度。
• 利用随机抖动的阱势或随机驱动的激光，通过双光子拉曼跃迁实现所需的开放动力学。
• 提供实现目标压缩热态在任意时间内的控制参数的解析解。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将绝热捷径扩展至开放量子系统，以实现压缩热态的快速制备？
• RQ2 为实现任意时间演化至具有受控温度与熵的压缩热态，所需的具体控制协议（特别是哈密顿量与耗散项）是什么？
• RQ3 该动力学如何在实验可行的系统中实现，例如通过随机驱动拉曼跃迁的离子阱？
• RQ4 实现目标态在任意时间内的显式时变控制参数（激光振幅、相位、退相干）是什么？
• RQ5 在快速动力学过程中，温度与熵如何演化，且能否独立控制？

主要发现

• 本文推导出在幺正与开放动力学下压缩热态的精确运动方程，可实现任意初始与最终温度和熵。
• 构建了反绝热哈密顿量，以抑制快速态工程过程中的非绝热跃迁，确保高保真度态制备。
• 推导出定制耗散项，实现在目标温度下的快速热化，将绝热捷径方法扩展至开放系统。
• 提供了激光振幅、相位与退相干强度的显式解，使在任意时间内于离子阱系统中制备压缩热态成为可能。
• 该方法可通过双光子拉曼跃迁结合随机驱动激光或随机抖动势，在离子阱实验中实现。
• 该方法可完全控制最终态的温度与压缩度，且对演化时间无任何限制。