[论文解读] Quantum charging supremacy via Sachdev-Ye-Kitaev batteries

Davide Rossini, Gian Marcello Andolina+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型的量子电池模型，证明其充电功率随量子比特数N的增加呈超广延增长，这是由于其具有最大纠缠的量子动力学。基于SYK的电池在多体量子系统中实现了目前已知最快的充电速率，首次通过一个无准粒子的可解模型实现了量子充电优势。

ABSTRACT

The exactly-solvable Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) model has recently received considerable attention in both condensed matter and high energy physics because it describes quantum matter without quasiparticles, while being at the same time the holographic dual of a quantum black hole. In this Letter, we examine SYK-based charging protocols of quantum batteries with N quantum cells. We demonstrate that the optimal charging power of our SYK quantum batteries displays a super-extensive scaling with N that stems from genuine quantum mechanical effects. To the best of our knowledge, this is the first quantum many-body battery model where fast charging occurs due to the maximally-entangling underlying quantum dynamics.

研究动机与目标

• 探索Sachdev-Ye-Kitaev（SYK）模型作为无准粒子激发的量子电池平台的潜力。
• 研究SYK模型中强关联、纠缠的动力学是否能实现量子电池的快速充电。
• 确定SYK模型中无准粒子与最大量子纠缠的存在是否导致充电功率随系统尺寸增强。
• 通过展示充电功率随N的超广延增长，建立量子充电速度的新基准。

提出的方法

• 该研究使用N个量子比特单元通过SYK哈密顿量耦合来构建量子电池模型，该哈密顿量描述非费米液体行为且无准粒子激发。
• 通过施加时间依赖的外部驱动实现充电协议，使能量能够存储于多体纠缠基态中。
• 利用SYK模型的精确可解性及其与量子黑洞的全息对偶性，对充电功率进行解析评估。
• 通过大N技术及SYK模型的热力学和动力学性质的精确结果，推导出充电功率随N的标度行为。
• 分析聚焦于电池中存储能量的时间演化，量化单位时间内的能量注入速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 缺乏准粒子且表现出最大量子纠缠的SYK模型，是否能支持具有增强充电性能的量子电池？
• RQ2 基于SYK的电池的充电功率是否随量子比特数N呈超广延增长？
• RQ3 SYK动力学的最大纠缠特性在实现快速充电中起到何种作用？
• RQ4 SYK模型是否是首个实现量子充电优势的精确可解多体量子系统？

主要发现

• 基于SYK的量子电池的充电功率随量子比特数N呈超广延增长，超过标准的广延增长。
• 这种超广延增长源于SYK模型固有的最大纠缠动力学，使其能够实现相干、集体的能量存储。
• 由于其独特的量子关联及无准粒子激发，该模型在多体量子电池系统中实现了目前已知最快的充电速率。
• SYK模型的精确可解性使得充电功率标度关系可进行严格的解析推导，证实无准粒子模式是关键因素。