[论文解读] Tuneable interacting bosons for relativistic and quantum information processing

Chester Moore, David Edward Bruschi|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文推导了在具有平滑开关的时变双模压缩哈密顿量下，双模相互作用玻色子的时间演化解析解。它揭示了粒子数、纠缠和能量变化的精确表达式，为量子信息和相对论性量子系统提供了精确控制手段。

ABSTRACT

We study the full time evolution of a system of two modes of a bosonic quantum field that interact through quadratic hamiltonians. We specialise to a time dependent two-mode squeezing Hamiltonian where the coupling is switched on and off smoothly. We find the analytical solutions to the time evolution after the interaction is turned off, which apply to arbitrary coupling functions. We investigate the final state of the system and compute all physically relevant quantities, such as average particle number, entanglement and change in energy. Our techniques can be applied to a wide range of scenarios, which include implementations of time dependent two-mode squeezing, coupled harmonic oscillators, harmonic oscillators coupled to light. Furthermore, these techniques can be extended to more complicated time-dependent quadratic Hamiltonians. We briefly discuss possible applications within the area of relativistic and quantum information.

研究动机与目标

• 建模时变二次哈密顿量下双模玻色子系统的完整时间演化。
• 在相互作用关闭后推导出适用于任意耦合函数的精确解析解。
• 计算平均粒子数、纠缠和能量变化等关键物理量。
• 展示该方法在耦合谐振子和光-物质相互作用等系统中的广泛适用性。
• 探索其在相对论性和量子信息处理中的潜在应用。

提出的方法

• 使用具有耦合平滑开启/关闭的时变双模压缩哈密顿量。
• 对任意耦合函数解析求解时间演化方程。
• 应用量子光学和时变二次哈密顿量的技术，推导出精确的最终态表达式。
• 利用推导出的时间演化态计算物理可观测量的期望值。
• 将该框架扩展至超越双模压缩的更复杂的时变二次哈密顿量。
• 采用标准量子场论和玻色子算符形式化方法来建模系统动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有任意耦合函数的时变双模压缩哈密顿量下，系统如何演化？
• RQ2 在相互作用关闭后，粒子数、纠缠和能量变化的精确表达式是什么？
• RQ3 该解析解如何推广至耦合谐振子或光-物质耦合等其他系统？
• RQ4 耦合强度的平滑开关具有何种物理意义？
• RQ5 其在相对论性和量子信息处理中的潜在应用是什么？

主要发现

• 在相互作用关闭后，推导出适用于任意耦合函数的时间演化精确解析解。
• 系统的最终态得到完整表征，包括平均粒子数、纠缠和能量变化。
• 纠缠和粒子数显式依赖于耦合函数的形状和持续时间。
• 该方法广泛适用于耦合谐振子和光-物质相互作用等系统。
• 该框架可扩展至更复杂的时变二次哈密顿量。
• 结果为量子信息和相对论性量子系统中的精确控制提供了基础。