[论文解读] On the stability of dissipatively-prepared Mott insulators of photons

Orazio Scarlatella, Aashish A. Clerk+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2023

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 2

一句话总结

本文通过 reservoir engineering 研究了光子系统中耗散制备的 Mott 绝缘相的稳定性。研究发现，由双激发（doublon excitations）驱动的非平衡不稳定态会导致系统进入一种相干的、非经典的极限环相，该相与基态 Mott-超流转变有本质区别。当跃迁积分超过临界值时，该不稳定态出现，揭示了泵浦强度与相稳定性之间的权衡关系，其可观测特征包括发散的响应率和放大增益。

ABSTRACT

Reservoir engineering is a powerful approach for using controlled driven-dissipative dynamics to prepare target quantum states and phases. In this work, we study a paradigmatic model that can realize a Mott insulator of photons in its steady-state. We show that, while in some regimes its steady state approximates a Mott-insulating ground state, this phase can become unstable through a non-equilibrium transition towards a coherent yet non-classical limit-cycle phase, driven by doublon excitations. This instability is completely distinct from the ground-state Mott-insulator to superfluid transition. This difference has dramatic observable consequences and leads to an intrinsic fragility of the steady-state Mott phase: a fast pump compared to losses is required to sustain the phase, but also determines a small critical hopping. We identify unique features of the steady-state Mott phase and its instability, that distinguish them from their ground-state counterpart and can be measured in experiments.

研究动机与目标

• 理解光子系统中耗散制备的 Mott 绝缘相的稳定性。
• 识别驱动-耗散玻色- Hubbard 晶格中稳态 Mott 相崩溃的机制。
• 将非平衡相变与传统的基态 Mott-超流相变区分开来。
• 识别不稳定态与 Mott 相的实验可观测量特征。
• 阐明快速泵浦与损耗速率在决定 Mott 相稳定性临界跃迁积分中的作用。

提出的方法

• 使用 Lindblad 主方程建模一个与具有非相干泵浦的结构化 reservoir 耦合的损耗型玻色- Hubbard 晶格。
• 应用 Gutzwiller 平均场理论分析序参量的动力学并识别稳态相。
• 计算临界跃迁积分强度 Jc，当跃迁积分超过该值时，Mott 相将变得不稳定并转变为极限环相。
• 分析光谱特性，包括在双激发能量处响应率发散。
• 将非平衡相图与基态 Mott-超流相变进行比较，突出其定性差异。
• 识别出如放大增益和双激发激增等可观测特征，作为不稳定区域的指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子系统中耗散制备的 Mott 绝缘相的不稳定性由何原因引起？
• RQ2 非平衡相变至极限环相与基态 Mott-超流相变有何不同？
• RQ3 泵浦与损耗的比率在决定 Mott 相稳定性的临界跃迁积分中起什么作用？
• RQ4 哪些独特的实验特征可将稳态 Mott 相及其不稳定态与基态对应物区分开来？
• RQ5 双激发的存在如何驱动系统进入一种相干但非经典的极限环相？

主要发现

• 当跃迁积分超过临界值 Jc 时，Mott 绝缘相通过非平衡相变进入一种相干的极限环相，其驱动力为双激发的激增。
• 该不稳定态与基态 Mott-超流相变不同，具有定性不同的相图和动力学行为。
• 为维持 Mott 相而需要快速泵浦与损耗的配合，但这也导致临界跃迁积分 Jc 变小，从而在保真度与稳定性之间形成权衡。
• 系统在双激发能量处表现出发散的响应率，这是不稳定态的独特标志。
• 放大增益与双激发的激增可作为不稳定态的可观测实验指标。
• 临界跃迁积分 Jc 随泵浦与损耗比率 r 的增加而减小，当 r 增大时趋近于双激发能量 ωdoub。