[论文解读] Switching of the information backflow between a helical spin system and non-Markovian bath

Michał Kaczor, I. Tralle+3 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2022

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 34被引用 10

一句话总结

本研究探讨了与非马尔可夫自旋波浴耦合的螺旋自旋环中的信息回流现象，表明外部电场和磁场可切换量子信息流动的方向。通过迹距离导数分析，作者展示了信息损失（负导数）与恢复（正导数）交替出现的周期性行为，其中磁场可实现快速切换，而电场则通过调控Dzyaloshinskii-Moriya相互作用重塑这些周期。

ABSTRACT

The dissipative dynamics of the spin chain coupled to the non-Markovian magnonic reservoir was studied. The chirality of the chain is formed due to the magnetoelectric coupling. We explored the sign of the trace distance derivative and found the alternating positive/negative periods in system's time evolution. The negative sign is associated with the flow of information from the system to the bath and decrease in states distinguishability, while the positive sign is related to the flow of the information in the opposite direction and increase in distinguishability. We found the distinct effect of the applied electric and magnetic fields. While the Dzyaloshinskii-Moriya interaction and external electric field lead to reshuffling of the periods, the applied magnetic field leads to the swift positive-negative transitions. Thus, in the helical quantum rings coupled to the non-Markovian magnonic baths, it is possible to control the directions of information flow through the external fields.

研究动机与目标

• 研究与自旋波 reservoir 耦合的螺旋自旋链中的非马尔可夫动力学。
• 利用迹距离导数分析信息回流的时间演化。
• 探讨外部电场和磁场如何调制信息流的方向与时序。
• 通过可调外部场实现对开放量子系统中可区分性与相干性的控制。

提出的方法

• 将系统建模为具有 Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用和电磁耦合的有限一维螺旋自旋环。
• 通过 Holstein-Primakoff 变换将自旋浴映射为玻色子自旋波模式。
• 构建包含系统、浴及系统-浴相互作用项的总哈密顿量。
• 在单激发子空间中使用薛定谔方程描述动力学行为。
• 应用规范变换并推导系统系数演化的封闭方程。
• 采用拉普拉斯变换与留数计算，对小系统（如 N=3）解析求解时间依赖系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非马尔可夫开放量子系统中，迹距离导数的符号如何指示信息流方向？
• RQ2 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用在塑造信息回流时间模式中起什么作用？
• RQ3 外部电场如何影响信息损失与恢复之间的交替？
• RQ4 外部磁场如何影响信息流切换频率？
• RQ5 能否通过外部场主动控制信息回流的方向与时序？

主要发现

• 迹距离导数的符号随时间在正负之间交替，表明信息损失（负值）与恢复（正值）周期性切换。
• 负导数对应信息从系统流向浴，导致量子态可区分性降低。
• 正导数表示信息从浴回流至系统，增强态的可区分性。
• 施加的磁场可诱导正负导数相位间的快速转换，实现信息流方向的高速切换。
• Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用与外部电场可重塑正负周期，而不改变其整体频率。
• 系统的动力学由时间尺度与系统相当的非马尔可夫环境主导，不满足马尔可夫近似，从而实现可逆信息交换。