[论文解读] Enhanced energy transfer in a Dicke quantum battery

Xiang Zhang, M. Blaauboer|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用 12

一句话总结

本文展示了在腔内少量两能级系统（TLS）的Dicke量子电池中，通过相干合作相互作用而非纠缠，实现了充电功率的√N倍增强。通用自旋翻转时间τ = π/(2g√n)实现了无需纠缠的集体充电，从而加速动力学过程，通过每自旋有效耦合的增加实现可扩展的量子优势。

ABSTRACT

We theoretically investigate the enhancement of the charging power in a Dicke quantum battery which consists of an array of $N$ two-level systems (TLS) coupled to a single mode of cavity photons. In the limit of small $N$, we analytically solve the time evolution for the full charging process. The eigenvectors of the driving Hamiltonian are found to be pseudo-Hermite polynomials and the evolution is thus interpreted as harmonic oscillator like behaviour. We find that there exists a universal flip duration in this process, regardless to the number of TLSs inside the cavity. Then we demonstrate that the average charging power when using a collective protocol is $\sqrt{N}$ times larger than the parallel charging protocol as for transferring the same amount of energy. Unlike previous studies, we point out that such quantum advantage does not originate from entanglement but dues to the coherent cooperative interactions among the TLSs. Our results provide intuitive quantitative insight into the dynamic charging process of a Dicke battery and can be observed under realistic experimental conditions.

研究动机与目标

• 研究在Dicke量子电池中，是否可在不产生纠缠的情况下实现充电功率的量子加速。
• 通过分析小-N区域（N ≪ n）来解决关于纠缠在量子加速中作用的相互矛盾的主张。
• 在实际条件下，识别集体协议中增强充电功率的物理根源。
• 提供一个可解析求解的模型，揭示与N无关的通用动力学。
• 证明加速源于有效耦合的增加，而非希尔伯特空间路径的缩短。

提出的方法

• 在旋转波近似（RWA）下形式化N个两能级系统与单模腔耦合的Dicke哈密顿量。
• 利用驱动哈密顿量的矩阵表示，解析求解本征能量与本征态。
• 将集体自旋动力学映射到具有伪厄米多项式本征态的赝谐振子系统。
• 通过求解冯诺依曼方程以获得幺正时间演化，推导出通用自旋翻转时间τ = π/(2g√n)。
• 通过时间平均充电功率（定义为⟨P⟩ = tr[(ρ′−ρ)HB]/T）比较集体与并行充电协议。
• 应用Tavis-Cummings模型，表明每个自旋的有效耦合强度因√N而增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在不生成纠缠的情况下，于Dicke量子电池中实现充电功率的量子加速？
• RQ2 集体协议中增强的充电功率的根源是什么——纠缠还是相干合作相互作用？
• RQ3 充电时间是否与系统尺寸N呈普遍标度关系，且独立于腔内光子数？
• RQ4 与单个充电相比，集体充电中每自旋的有效耦合强度如何标度？
• RQ5 尽管采用全局控制，为何加速因子为√N而非N？

主要发现

• 存在一个与两能级系统数量N无关的通用自旋翻转时间τ = π/(2g√n)，可实现可预测的集体动力学。
• 在相同能量转移条件下，集体协议的平均充电功率相比并行协议提升了√N倍。
• 充电过程中未产生任何纠缠，与先前认为纠缠是量子加速所必需的假设相矛盾。
• 加速源于相干合作相互作用，其通过使每自旋的有效耦合强度增加√N而实现，而非希尔伯特空间中缩短的测地线路径。
• 系统的动力学行为类似于具有由伪厄米多项式描述的本征态的赝谐振子，从而实现解析可解性。
• 该模型在基于光子腔中NV中心的实验平台上具有可行性，现有技术可支持所需的耦合与控制。