Halbzahlige vs. ganzzahlige Effekte bei der Quantensynchronisation von Spinsystemen

Halbzahlige vs. ganzzahlige Effekte bei der Quantensynchronisation von Spinsystemen

Zeitstempel: 29. Dezember 2022, 10:11 Uhr
Quellknoten: 1792124

Ryan Tan1, Christoph Bruder1, und Martin Koppenhöfer2

1Departement Physik, Universität Basel, Klingelbergstrasse 82, CH-4056 Basel, Schweiz
2Pritzker School of Molecular Engineering, Universität von Chicago, Chicago, Illinois 60637, USA

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Abstrakt

Wir untersuchen die Quantensynchronisation eines einzelnen Spins, der von einem externen semiklassischen Signal für Spinzahlen größer als $S = 1$ angetrieben wird, dem kleinsten System, das einen selbsterhaltenden Quantenoszillator beherbergt. Das Auftreten von Interferenz-basierten Quantensynchronisationsblockaden ist qualitativ unterschiedlich für ganzzahlige vs. halbzahlige Spinzahlen $S$. Wir erklären dieses Phänomen als das Zusammenspiel zwischen dem externen Signal und der Struktur des Grenzzyklus bei der Erzeugung von Kohärenz im System. Darüber hinaus zeigen wir, dass der gleiche dissipative Grenzzyklus-Stabilisierungsmechanismus zu sehr unterschiedlichen Ebenen der Quantensynchronisation für ganzzahlige vs. halbzahlige $S$ führt. Durch die Wahl eines geeigneten Grenzzyklus für jede Spinzahl können jedoch vergleichbare Niveaus der Quantensynchronisation sowohl für ganzzahlige als auch für halbzahlige Spinsysteme erreicht werden.

Ausgewähltes Bild: Maximaler Synchronisationsgrad für verschiedene Werte von Spin $S$ und verschiedene Grenzzyklen. Durch die Wahl unterschiedlicher Grenzzyklus-Oszillatoren in Abhängigkeit von der Größe des Spinsystems wird ein monotones Wachstum des maximalen Niveaus der Quantensynchronisation als Funktion der Größe des Spins des Systems gefunden.

Populäre Zusammenfassung

Die klassische Synchronisierung wird seit dem 17. Jahrhundert untersucht und findet Anwendung in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens, beispielsweise in Zeitmessern und Stromnetzen. Auch Quantensysteme können synchronisieren und weisen in ihrem Synchronisationsverhalten eine Reihe echter Quanteneffekte auf. Ein Beispiel ist die interferenzbasierte Quantensynchronisationsblockade in getriebenen Quanten-Limit-Cycle-Oszillatoren, bei denen ein destruktiver Interferenzeffekt die Synchronisation verhindert, obwohl ein externes Signal angelegt wird. Spinsysteme sind aufgrund ihres endlichen (und typischerweise niederdimensionalen) Hilbert-Raums eine bequeme Plattform, um die Quantensynchronisation zu untersuchen.

Hier analysieren wir, wie die Quantensynchronisation von der Größe des Spinsystems abhängt. Für bestimmte Kombinationen eines Quanten-Limit-Cycle-Oszillators und eines angelegten Signals finden wir qualitative Unterschiede in der Anzahl der Synchronisationsblockaden und starke Oszillationen im maximalen Synchronisationsbetrag, je nachdem, ob der Spin ganzzahlig oder halbzahlig ist. Wählt man jedoch je nach Größe des Spinsystems unterschiedliche Grenzzyklus-Oszillatoren, so findet man ein monotones Wachstum des maximalen Niveaus der Quantensynchronisation als Funktion der Größe des Spins des Systems.

Unsere Ergebnisse beleuchten die komplexen Interferenzeffekte bei der Quantensynchronisation und sind ein erster Schritt zur Untersuchung des Quanten-zu-Klassik-Übergangs bei der Synchronisation.

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Zitiert von

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