[论文解读] Emergent dissipative quasi-particle picture in noninteracting Markovian open quantum systems

Federico Carollo, Vincenzo Alba|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2021

Quantum many-body systems参考文献 72被引用 5

一句话总结

本文提出了一种耗散准粒子图像，用于描述非相互作用马尔可夫开放量子系统中量子熵的动力学。通过将流体动力学概念扩展至开放系统，证明了即使在存在耗散的情况下，关联仍可通过准粒子的传播而产生，从而实现了混合态下子系统熵的高效计算。

ABSTRACT

Correlations between different regions of a quantum many-body system can be quantified through measures based on entropies of (reduced) subsystem states. For closed systems, several analytical and numerical tools, e.g., hydrodynamic theories or tensor networks, can accurately capture the time-evolution of subsystem entropies, thus allowing for a profound understanding of the unitary dynamics of quantum correlations. However, so far, these methods either cannot be applied to open quantum systems or do not permit an efficient computation of quantum entropies for mixed states. Here, we make progress in solving this issue by formulating a dissipative quasi-particle picture -- describing the dynamics of quantum entropies in the hydrodynamic limit -- for a general class of noninteracting open quantum systems. Our results show that also in dissipative many-body systems, correlations are generically established through the propagation of quasi-particles.

研究动机与目标

• 为解决在存在耗散的开放多体系统中计算量子熵缺乏高效工具的问题。
• 将已在闭合系统中取得成功的流体动力学与准粒子框架，扩展至具有马尔可夫耗散的开放量子系统。
• 建立一个通用框架，以理解在非相互作用开放量子系统中，关联如何通过涌现的准粒子传播而演化。
• 实现在马尔可夫动力学下，混合态中子系统熵的解析与数值计算。

提出的方法

• 利用非相互作用费米子或玻色子自由度，为开放量子系统构建流体动力学极限的描述。
• 推导出在系统中传播的有效准粒子激发，其携带关于熵动力学的信息。
• 应用准粒子图像，通过这些有效激发的传播来计算时间演化后的子系统熵。
• 利用林德布拉德主方程的结构，表征马尔可夫耗散及其对准粒子传播的影响。
• 依赖于系统的非相互作用特性，以实现熵演化的确切或可处理的解。
• 建立熵动力学与在耗散存在下准粒子时空传播之间的映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将流体动力学准粒子图像推广至具有马尔可夫耗散的开放量子系统？
• RQ2 在耗散存在下，开放量子多体系统中的关联如何随时间演化？
• RQ3 在多大程度上可利用准粒子概念高效计算混合态中的子系统熵？
• RQ4 耗散过程是否会改变通过准粒子传播关联的基本机制？

主要发现

• 在非相互作用马尔可夫开放量子系统中，关联通常通过准粒子的传播而建立，即使在存在耗散的情况下亦然。
• 耗散准粒子图像能够实现对混合态中子系统熵的精确且高效的计算。
• 该框架将闭合系统中的流体动力学直觉扩展至开放系统，同时保持了准粒子在熵动力学中的作用。
• 该方法在流体动力学极限下依然有效，此时长波长和缓慢变化主导动力学。