[论文解读] Quantum measurement induces a many-body transition

Michael S. Ferguson, Leon C. Camenzind+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 29被引用 4

一句话总结

该论文表明，通常被视为微小扰动的量子测量反作用，可通过改变系统的基态电荷构型，在双量子点系统中诱导多体相变。通过电荷传感器量子点测量电子占据数，作者观察到由于探测器引起的反作用，系统发生向更高能电荷态的相变，该现象可通过包含非理想探测器动力学和自旋简并效应的理论模型加以解释。

ABSTRACT

The current revolution in quantum technologies relies on the ability to isolate, coherently control, and measure the state of quantum systems. The act of measurement in quantum mechanics, however, is naturally invasive as the measurement apparatus becomes entangled with the system that it observes. Even for ideal detectors, the measurement outcome always leads to a disturbance in the observed system, a phenomenon called quantum measurement backaction. Here we report a profound change in the many-body properties of the measured system due to quantum measurements. We observe this backaction-induced transition in a mesoscopic double quantum-dot in the Coulomb-blockade regime, where we switch the electron population through measurement with a charge sensor dot. Our finding showcases the important changes in behaviour that can arise due to quantum detectors, which are ubiquitous in quantum technologies.

研究动机与目标

• 研究非理想量子测量反作用（超越理想探测器范式）如何影响量子系统的多体态。
• 识别并表征由测量反作用诱导的双量子点基态电荷构型转变。
• 建立一个理论框架，解释由于探测器引起的反作用导致的电荷稳定性图畸变。
• 探究探测器动力学（包括展宽机制与自旋简并）在塑造观测到的相变中的作用。
• 确立量子探测器可作为非平衡环境，驱动多体系统相变。

提出的方法

• 在库仑阻塞 regime 下使用一个介观双量子点（DD），其与电极有隧穿耦合，并通过附近电荷传感器量子点（CSD）实现实时电荷态监测。
• 对 CSD 施加测量偏置电压 $V_{\rm M}$，通过电容耦合和电子隧穿过程在 DD 上引发反作用。
• 在不同 $V_{\rm M}$ 和温度 $T$ 下测量 DD 的电荷稳定性图，观察电荷态边界畸变。
• 使用带展宽跃迁速率的速率方程建模反作用，结合洛伦兹型与高斯型探测器响应函数形式。
• 在速率方程中引入自旋简并，以评估其对观测到的 'S' 形特征中粒子-空穴对称性破缺的影响。
• 使用参数 $\chi^\mathrm{G} = 0.099$ 和 $\xi^\mathrm{G} = 0.084U$ 拟合模型与实验数据，考虑探测器引起的展宽与不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子测量反作用是否能在双量子点系统中诱导不同多体相之间的相变？
• RQ2 探测器的非理想性（特别是其反作用）如何改变双量子点中观测到的电荷构型？
• RQ3 自旋简并如何在测量得到的稳定性图中 'S' 形特征的粒子-空穴对称性破缺中发挥作用？
• RQ4 不同的展宽机制（洛伦兹型与高斯型）如何影响相变区域的形状与不对称性？
• RQ5 观测到的由反作用诱导的相变能否通过一个考虑探测器动力学与非平衡效应的理论模型进行定量描述？

主要发现

• 量子测量反作用诱导系统从低能量电荷构型向更高能量构型转变，表现为双量子点电荷稳定性图的畸变。
• 当测量偏置 $V_{\rm M} = 75\,\mu\mathrm{V}$ 时观察到该相变，此时量子点间隧穿被抑制，揭示出在更高 $V_{\rm M}$ 下不存在的反作用效应。
• 系统优先占据在无反作用时能量不利的状态，与人口切换的理论预测一致。
• 自旋简并被确定为观测到的 'S' 形特征中粒子-空穴不对称性的关键因素，其在洛伦兹展宽中效应强于高斯展宽。
• 数据表明探测器响应函数的尾部比洛伦兹型更尖锐，这由展宽类型依赖的不对称性所支持。
• 模型使用 $\chi^\mathrm{G} = 0.099$ 和 $\xi^\mathrm{G} = 0.084U$ 拟合实验数据，其中后一值显著大于预期值（$\sim 1\,\mu\mathrm{eV}$），表明存在强烈的非理想反作用效应。