Schaltkreise von Raum- und Zeitquantenkanälen

Schaltkreise von Raum- und Zeitquantenkanälen

Quellknoten: 2677489

Pavel Kos und Georgios Styliaris

Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching, Deutschland
Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST), Schellingstr. 4, 80799 München, Deutschland

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Abstrakt

Genaue Lösungen für interagierende Vielteilchensysteme sind rar, aber äußerst wertvoll, da sie Einblicke in die Dynamik liefern. Dual-unitäre Modelle sind Beispiele in einer räumlichen Dimension, in denen dies möglich ist. Diese Backsteinmauer-Quantenkreise bestehen aus lokalen Gattern, die nicht nur zeitlich einheitlich bleiben, sondern auch, wenn man sie als Entwicklungen entlang der Raumrichtungen interpretiert. Diese Einstellung der einheitlichen Dynamik lässt sich jedoch aufgrund ihrer unvollständigen Isolation nicht direkt auf reale Systeme anwenden. Daher ist es unbedingt erforderlich, den Einfluss von Rauschen auf die dual-unitäre Dynamik und deren genaue Lösbarkeit zu berücksichtigen.
In dieser Arbeit verallgemeinern wir die Ideen der dualen Unitarität, um exakte Lösungen in verrauschten Quantenschaltungen zu erhalten, in denen jedes einheitliche Gatter durch einen lokalen Quantenkanal ersetzt wird. Exakte Lösungen erhält man, indem man verlangt, dass die verrauschten Tore nicht nur zeitlich einen gültigen Quantenkanal ergeben, sondern auch, wenn man sie als Entwicklungen entlang einer oder beider Raumrichtungen und möglicherweise zeitlich rückwärts interpretiert. Dadurch entstehen neue Modellfamilien, die unterschiedliche Kombinationen von Einheitsbeschränkungen entlang der Raum- und Zeitrichtung erfüllen. Wir liefern exakte Lösungen für die räumlich-zeitlichen Korrelationsfunktionen, räumliche Korrelationen nach einem Quantenlöschen und die Struktur stationärer Zustände für diese Modellfamilien. Wir zeigen, dass Rauschen, das um die dual-unitäre Familie herum unverzerrt ist, zu genau lösbaren Modellen führt, selbst wenn die dual-unitäre Familie stark verletzt ist. Wir beweisen, dass jeder in Raum- und Zeitrichtung einheitliche Kanal als affine Kombination einer bestimmten Klasse dual-unitärer Tore geschrieben werden kann. Abschließend erweitern wir die Definition lösbarer Anfangszustände auf Matrixproduktdichteoperatoren. Wir klassifizieren sie vollständig, wenn ihr Tensor eine lokale Reinigung zulässt.

Zu verstehen, wie sich Quantensysteme mit vielen Spins im Laufe der Zeit entwickeln, ist eine anspruchsvolle Aufgabe. In den meisten Fällen können die relevanten Aspekte der komplizierten Entwicklung durch Untersuchung der Korrelationsfunktionen extrahiert werden. Das Problem der Berechnung von Korrelationsfunktionen für Modelle, die Chaos aufweisen, ist jedoch im Allgemeinen schwierig, daher ist es für unser Verständnis von entscheidender Bedeutung, Beispiele bereitzustellen, in denen sie analysiert werden können.

In unserer Arbeit verallgemeinern wir ein solches Beispiel – dual-unitäre Schaltkreise – auf Systeme jenseits der einheitlichen Dynamik, sogenannte Raum-Zeit-Kanäle. Hier führt die Kopplung mit der Umgebung zu einer Quantendynamik bestehend aus lokalen Quantenkanälen, also einer offenen Systementwicklung. Diese Raum-Zeit-Quantenkanäle zeichnen sich durch die Eigenschaft aus, dass die Entwicklung bei einer Änderung der Rollen von Raum und Zeit immer noch physisch erfolgt, genau wie im Fall dual-unitärer Schaltkreise. Diese Eigenschaft definiert verschiedene umfangreiche Modellfamilien mit beherrschbarer Dynamik.

Unsere Arbeit öffnet neue Türen zu exakt lösbaren offenen Quantenschaltkreisen. Da Quantenentwicklung, Simulation oder Berechnung niemals vollständig von der Umgebung isoliert sind, ist dieses Wissen dringend erforderlich. Darüber hinaus erklärt unsere Arbeit auch, warum die Signatur der Dual-Unitarität (verschwindende Korrelationen innerhalb des Lichtkegels), die bereits im Experiment beobachtet wurde, unter typischem Rauschen erhalten bleibt.

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