Relajación de estadísticas multitiempo en sistemas cuánticos

Relajación de estadísticas multitiempo en sistemas cuánticos

Marca de tiempo: 1 de junio de 2023 8:30 a.m.
Nodo de origen: 2699820

Neil Dowling1, Pedro Figueroa Romero2, Félix A. Pollock1, Philipp Strasberg3y KavanModi1

1Facultad de Física y Astronomía, Universidad de Monash, Victoria 3800, Australia
2Centro de Investigación de Computación Cuántica Hon Hai, Taipei, Taiwán
3Física Teòrica: Informació i Fenòmens Quàntics, Departament de Física, Universitat Autònoma de Barcelona, ​​08193 Bellaterra (Barcelona), España

¿Encuentra este documento interesante o quiere discutirlo? Scite o deje un comentario en SciRate.

Resumen

La mecánica estadística de equilibrio proporciona herramientas poderosas para comprender la física a macroescala. Sin embargo, la pregunta sigue siendo cómo se puede justificar esto en base a una descripción cuántica microscópica. Aquí, ampliamos las ideas de la mecánica estadística cuántica de estado puro, que se centran en estadísticas de tiempo único, para mostrar el equilibrio de procesos cuánticos aislados. Es decir, mostramos que la mayoría de los observables multitemporales para tiempos suficientemente grandes no pueden distinguir un proceso de no equilibrio de uno de equilibrio, a menos que el sistema se pruebe un número extremadamente grande de veces o que el observable sea particularmente fino. Un corolario de nuestros resultados es que el tamaño de la no markoviana y otras características multitemporales de un proceso fuera de equilibrio también se equilibran.

Imagen destacada: se muestra (arriba) un valor de expectativa multitiempo arbitrario y dependiente del tiempo $langle textbf{A}_textbf{k} rangle_{Upsilon} (Delta t_1, dots,Delta t_k ) $ (arriba), que se puede calcular a partir de un proceso cuántico tensor $Upsilon$, compuesto por superoperadores de evolución unitaria $mathcal{U}_i$ y algún estado inicial $rho$. Para un sistema en el que el estado inicial se superpone significativamente con muchos estados propios de energía, si el sistema no se prueba demasiadas veces $k$, mostramos que, en promedio, esta función de correlación multitiempo es indistinguible de una cantidad de equilibrio independiente del tiempo (abajo), $langle textbf{A}_textbf{k} rangle_{Omega}$.

Resumen popular

¿Por qué las propiedades macroscópicas de un sistema de muchos cuerpos suelen ser aproximadamente estacionarias a pesar de que el microestado exacto evoluciona constantemente? Es una creencia generalizada que la mecánica cuántica por sí sola debería ser suficiente para derivar la mecánica estadística, sin suposiciones adicionales. Una pieza clave de este rompecabezas es determinar cómo se pueden observar cantidades estacionarias en un sistema cuántico aislado. En este trabajo mostramos que los valores esperados multitemporales parecen estacionarios en promedio en sistemas grandes, cuando el estado inicial no está muy ajustado y cuando el observable es grueso tanto en el espacio como en el tiempo. Esto significa que las características multitemporales relevantes, como la cantidad de memoria en el sistema cuántico, son genéricamente independientes de los tiempos exactos probados.

► datos BibTeX

► referencias

[ 1 ] A. Rivas y SF van Huelga, Open Quantum Systems (Springer-Verlag, 2012).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-23354-8

[ 2 ] I. Rotter y JP Bird, Rep. Prog. física 78, 114001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​78/​11/​114001

[ 3 ] N. Pottier, Física estadística sin equilibrio: procesos lineales irreversibles, Oxford Graduate Texts (Oxford University Press, 2010).

[ 4 ] R. Kubo, Rep. Prog. física 29, 255 (1966).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​29/​1/​306

[ 5 ] U. Weiss, Quantum Dissipative Systems, 4ª ed. (World Scientific, 2012).
https: / / doi.org/ 10.1142 / 8334

[ 6 ] G. Stefanucci y R. van Leeuwen, Teoría de muchos cuerpos sin equilibrio de los sistemas cuánticos: una introducción moderna (Cambridge University Press, 2013).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139023979

[ 7 ] M. Lax, Phys. Rev. 157, 213 (1967).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.157.213

[ 8 ] FA Pollock, C. Rodríguez-Rosario, T. Frauenheim, M. Paternostro y K. Modi, Phys. Rev. A 97, 012127 (2018a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.012127

[ 9 ] FA Pollock, C. Rodríguez-Rosario, T. Frauenheim, M. Paternostro y K. Modi, Phys. Rev. Lett. 120, 040405 (2018b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.040405

[ 10 ] L. Li, MJ Hall y HM Wiseman, Phys. Rep. 759, 1 (2018), conceptos de no markovianidad cuántica: una jerarquía.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2018.07.001

[ 11 ] S. Milz, F. Sakuldee, FA Pollock y K. Modi, Quantum 4, 255 (2020a).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-04-20-255

[ 12 ] S. Milz y K. Modi, PRX Quantum 2, 030201 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030201

[ 13 ] N. Dowling, P. Figueroa-Romero, F. Pollock, P. Strasberg y K. Modi, "Equilibración de procesos cuánticos no markovianos en intervalos de tiempo finitos" (2021), arXiv:2112.01099 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2112.01099
arXiv: 2112.01099

[ 14 ] N. Linden, S. Popescu, AJ Short y A. Winter, Phys. Rev. E 79, 061103 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.79.061103

[ 15 ] C. Neuenhahn y F. Marquardt, Phys. Rev.E 85, 060101(R) (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.060101

[ 16 ] L. Campos Venuti y P. Zanardi, Phys. Rev. A 81, 022113 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.022113

[ 17 ] P. Bocchieri y A. Loinger, Phys. Rev. 107, 337 (1957).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.107.337

[ 18 ] C. Gogolin y J. Eisert, Rep. Prog. física 79, 056001 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​79/​5/​056001

[ 19 ] LC Venuti, “El tiempo de recurrencia en la mecánica cuántica,” (2015), arXiv:1509.04352 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1509.04352
arXiv: 1509.04352

[ 20 ] P. Reimann, Phys. Rev. Lett. 101, 190403 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.190403

[ 21 ] A. M. Alhambra, J. Riddell y LP García-Pintos, Phys. Rev. Lett. 124, 110605 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.110605

[ 22 ] P. Figueroa-Romero, FA Pollock y K. Modi, Commun. física 4, 127 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s42005-021-00629-w

[ 23 ] J. Gemmer, M. Michel y G. Mahler, Quantum Thermodynamics: Aparición del comportamiento termodinámico dentro de los sistemas cuánticos compuestos, Lecture Notes in Physics (Springer Berlin Heidelberg, 2009).
https: / / doi.org/ 10.1007 / b98082

[ 24 ] L. D'Alessio, Y. Kafri, A. Polkovnikov y M. Rigol, Adv. física 65, 239 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00018732.2016.1198134

[ 25 ] T. Mori, TN Ikeda, E. Kaminishi y M. Ueda, J. Phys. Murciélago. mol. Optar. 51, 112001 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1361-6455 / aabcdf

[ 26 ] F. Costa y S. Shrapnel, New J. Phys. 18, 063032 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​6/​063032

[ 27 ] G. Chiribella, GM D'Ariano, y P. Perinotti, Phys. Rev. A 80, 022339 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.80.022339

[ 28 ] H. Tasaki, Phys. Rev. Lett. 80, 1373 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.80.1373

[ 29 ] AJ Short, Nueva J. Phys. 13, 053009 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​13/​5/​053009

[ 30 ] M. Ueda, Nat. Rev. Phys. 2, 669 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s42254-020-0237-x

[ 31 ] EB Davies y JT Lewis, Commun. Matemáticas. física 17, 239 (1970).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01647093

[ 32 ] G. Chiribella, GM D`Ariano y P. Perinotti, EPL (Europhysics Letters) 83, 30004 (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1209/​0295-5075/​83/​30004

[ 33 ] L. Hardy, J. Física. A-Matemáticas. teor. 40, 3081 (2007).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​40/​12/​s12

[ 34 ] L. Hardy, Filosofía. TR Soc. A 370, 3385 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rsta.2011.0326

[ 35 ] L. Hardy, "Relatividad general operativa: posibilística, probabilística y cuántica" (2016), arXiv:1608.06940 [gr-qc].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1608.06940
arXiv: 1608.06940

[ 36 ] J. Cotler, C.-M. Jian, X.-L. Qi y F. Wilczek, J. High Energy Phys. 2018, 93 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / JHEP09 (2018) 093

[ 37 ] D. Kretschmann y RF Werner, Phys. Rev. A 72, 062323 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.062323

[ 38 ] F. Caruso, V. Giovannetti, C. Lupo y S. Mancini, Rev. Mod. Phys. 86, 1203 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.1203

[ 39 ] C. Portmann, C. Matt, U. Maurer, R. Renner y B. Tackmann, IEEE Transactions on Information Theory 63, 3277 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2017.2676805

[ 40 ] S. Shrapnel, F. Costa y G. Milburn, New J. Phys. 20, 053010 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aabe12

[ 41 ] O. Oreshkov, F. Costa y Č. Brukner, Nat. Comun. 3, 1092 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2076

[ 42 ] P. Strasberg, Phys. Rev.E 100, 022127 (2019a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.100.022127

[ 43 ] C. Giarmatzi y F. Costa, Quantum 5, 440 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-26-440

[ 44 ] P. Strasberg y A. Winter, Phys. Rev. E 100, 022135 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.100.022135

[ 45 ] P. Strasberg, Phys. Rev. Lett. 123, 180604 (2019b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.180604

[ 46 ] P. Strasberg y MG Díaz, Phys. Rev. A 100, 022120 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.022120

[ 47 ] S. Milz, D. Egloff, P. Taranto, T. Theurer, MB Plenio, A. Smirne y SF Huelga, Phys. Rev. X 10, 041049 (2020b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.041049

[ 48 ] V. Chernyak, F. cv Šanda y S. Mukamel, Phys. Rev. E 73, 036119 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.73.036119

[ 49 ] GS Engel, TR Calhoun, EL Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, RE Blankenship y GR Fleming, Nature 446, 782 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature05678

[ 50 ] F. Krumm, J. Sperling y W. Vogel, Phys. Rev. A 93, 063843 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.93.063843

[ 51 ] E. Moreva, M. Gramegna, G. Brida, L. Maccone y M. Genovese, Phys. Rev. D 96, 102005 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.96.102005

[ 52 ] HG Duan, VI Prokhorenko, RJ Cogdell, K. Ashraf, AL Stevens, M. Thorwart y RJD Miller, Proc Natl Acad Sci USA 114, 8493 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1702261114

[ 53 ] M. Ringbauer, F. Costa, ME Goggin, AG White y A. Fedrizzi, npj Quantum Information 4, 37 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-018-0086-y

[ 54 ] GAL White, CD Hill, FA Pollock, LCL Hollenberg y K. Modi, Nature Communications 11, 6301 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-20113-3

[ 55 ] GAL White, FA Pollock, LCL Hollenberg, CD Hill y K. Modi, “From many-body to many-time physics,” (2022), arXiv:2107.13934 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.13934
arXiv: 2107.13934

[ 56 ] L. Knipschild y J. Gemmer, Phys. Rev. E 101, 062205 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.101.062205

[ 57 ] P. Taranto, FA Pollock y K. Modi, npj Quantum Information 7, 149 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00481-4

[ 58 ] S. Milz, MS Kim, FA Pollock y K. Modi, Phys. Rev. Lett. 123, 040401 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.040401

[ 59 ] D. Burgarth, P. Facchi, M. Ligabò y D. Lonigro, Phys. Rev. A 103, 012203 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.012203

[ 60 ] D. Burgarth, P. Facchi, D. Lonigro y K. Modi, Phys. Rev. A 104, L050404 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.L050404

[ 61 ] FGSL Brandão, E. Crosson, MB Şahinoğlu y J. Bowen, Phys. Rev. Lett. 123, 110502 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.110502

[ 62 ] JM Deutsch, Ph. Rev. A 43, 2046 (1991).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.43.2046

[ 63 ] M. Srednicki, Phys. Rev.E 50, 888 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.50.888

[ 64 ] M. Srednicki, J. Phys. A-Matemáticas. Gen. 32, 1163 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​32/​7/​007

[ 65 ] M. Rigol, V. Dunjko, V. Yurovsky y M. Olshanii, Phys. Rev. Lett. 98, 050405 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.050405

[ 66 ] M. Rigol, V. Dunjko y M. Olshanii, Nature 452, 854 EP (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature06838

[ 67 ] CJ Turner, AA Michailidis, DA Abanin, M. Serbyn y Z. Papić, Nat. física 14, 745 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-018-0137-5

[ 68 ] JM Deutsch, Rep. Prog. física 81, 082001 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1361-6633/​aac9f1

[ 69 ] J. Richter, J. Gemmer y R. Steinigeweg, Phys. Rev.E 99, 050104(R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.99.050104

[ 70 ] S. Milz, C. Spee, Z.-P. Xu, FA Pollock, K. Modi y O. Gühne, SciPost Phys. 10, 141 (2021).
https: / / doi.org/ 10.21468 / SciPostPhys.10.6.141

[ 71 ] R. Dümcke, J. Math. física 24, 311 (1983).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.525681

[ 72 ] P. Figueroa-Romero, K. Modi y FA Pollock, Quantum 3, 136 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-04-30-136

[ 73 ] Alexei Kitaev, “Simposio de física fundamental del premio innovador de 2015”, url: https:/​/​breakthroughprize.org/​Laureates/​1/​L3 (2014).
https:/​/​breakthroughprize.org/​Laureates/​1/​L3

[ 74 ] M. Zonnios, J. Levinsen, MM Parish, FA Pollock y K. Modi, Phys. Rev. Lett. 128, 150601 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.150601

[ 75 ] N. Dowling y K. Modi, "Caos cuántico = entrelazamiento espaciotemporal de ley de volumen" (2022), arXiv: 2210.14926 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2210.14926
arXiv: 2210.14926

[ 76 ] G. Styliaris, N. Anand y P. Zanardi, Phys. Rev. Lett. 126, 030601 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.030601

[ 77 ] AJ Short y TC Farrelly, New J. Phys. 14, 013063 (2012).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​14/​1/​013063

[ 78 ] A. Riera, C. Gogolin y J. Eisert, Phys. Rev. Lett. 108, 080402 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.080402

[ 79 ] ASL Malabarba, LP García-Pintos, N. Linden, TC Farrelly y AJ Short, Phys. Rev. E 90, 012121 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.90.012121

[ 80 ] H. Wilming, TR de Oliveira, AJ Short y J. Eisert, “Tiempos de equilibrio en sistemas cerrados cuánticos de muchos cuerpos”, en Termodinámica en el régimen cuántico: aspectos fundamentales y nuevas direcciones, editado por F. Binder, LA Correa, C. Gogolin, J. Anders y G. Adesso (Springer International Publishing, Cham, 2018) págs. 435–455.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-99046-0_18

[ 81 ] S. Milz, FA Pollock y K. Modi, Open Syst. información Din. 24, 1740016 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S1230161217400169

[ 82 ] J. Watrous, La teoría de la información cuántica (Cambridge University Press, 2018).
https: / / doi.org/ 10.1017 / 9781316848142

[ 83 ] MM Wilde, "De la teoría clásica a la cuántica de Shannon", (2011), arXiv: 1106.1445 [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1017 / 9781316809976.001
arXiv: 1106.1445

[ 84 ] J. Watrous, Inf. cuántica. computar 5 (2004), 10.26421/QIC5.1-6.
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC5.1-6

[ 85 ] P. Taranto, S. Milz, FA Pollock y K. Modi, Phys. Rev. A 99, 042108 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042108

[ 86 ] WR Inc., “Mathematica, versión 12.3.1”, Champaign, IL, 2021.

[ 87 ] J. Miszczak, Z. Puchała y P. Gawron, "Paquete Qi para el análisis de sistemas cuánticos" (2011-).
https://​/​github.com/​iitis/​qi

Citado por

[1] Philipp Strasberg, "Clásico sin (sin) decoherencia: conceptos, relación con la markoviana y un enfoque de teoría de matrices aleatorias", arXiv: 2301.02563, (2023).

[2] Philipp Strasberg, Teresa E. Reinhard y Joseph Schindler, "Todo en todas partes, todo a la vez: una demostración numérica de primeros principios de historias decoherentes emergentes", arXiv: 2304.10258, (2023).

[3] Philipp Strasberg, Andreas Winter, Jochen Gemmer y Jiaozi Wang, “Classicality, Markovianity and local detail balance from pure state dynamics”, arXiv: 2209.07977, (2022).

[4] Neil Dowling y Kavan Modi, “Quantum Chaos = Volume-Law Spatiotemporal Entanglement”, arXiv: 2210.14926, (2022).

[5] IA Aloisio, GAL White, CD Hill y K. Modi, “Sampling Complexity of Open Quantum Systems”, PRX Cuántico 4 2, 020310 (2023).

[6] Neil Dowling, Pedro Figueroa-Romero, Felix A. Pollock, Philipp Strasberg y Kavan Modi, “Equilibration of Multitime Quantum Processes in Finite Time Intervals”, arXiv: 2112.01099, (2021).

[7] Pengfei Wang, Hyukjoon Kwon, Chun-Yang Luan, Wentao Chen, Mu Qiao, Zinan Zhou, Kaizhao Wang, MS Kim y Kihwan Kim, “Demostración de estadísticas cuánticas de tiempo múltiple sin acción inversa de medición”, arXiv: 2207.06106, (2022).

Las citas anteriores son de ANUNCIOS SAO / NASA (última actualización exitosa 2023-06-04 12:55:03). La lista puede estar incompleta ya que no todos los editores proporcionan datos de citas adecuados y completos.

On Servicio citado por Crossref no se encontraron datos sobre las obras citadas (último intento 2023-06-04 12:55:02).

Este documento se publica en Quantum bajo el Creative Commons Reconocimiento 4.0 Internacional (CC BY 4.0) licencia. Los derechos de autor permanecen con los titulares de derechos de autor originales, como los autores o sus instituciones.

Sello de tiempo:

Mas de Diario cuántico