Moniaikaisten tilastojen rentoutuminen kvanttijärjestelmissä

Moniaikaisten tilastojen rentoutuminen kvanttijärjestelmissä

Aikaleima: 1. kesäkuuta 2023 8
Lähdesolmu: 2699820

Neil Dowling1, Pedro Figueroa-Romero2, Felix A. Pollock1, Philipp Strasberg3ja Kavan Modi1

1Fysiikan ja tähtitieteen laitos, Monashin yliopisto, Victoria 3800, Australia
2Hon Hai Quantum Computing Research Center, Taipei, Taiwan
3Física Teòrica: Tietoa Fenòmens Quànticsista, Físican osasto, Barcelonan yliopisto, 08193 Bellaterra (Barcelona), Espanja

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Tilastollinen tasapainomekaniikka tarjoaa tehokkaita työkaluja fysiikan ymmärtämiseen makromittakaavassa. Silti kysymys jää, kuinka tämä voidaan perustella mikroskooppisen kvanttikuvauksen perusteella. Laajennamme tässä puhtaan tilan kvanttitilastomekaniikan ideoita, jotka keskittyvät kertatilastoihin, osoittamaan eristettyjen kvanttiprosessien tasapainoa. Nimittäin osoitamme, että useimmat riittävän pitkiä aikoja koskevat moniaikaiset havainnot eivät pysty erottamaan epätasapainoista prosessia tasapainoisesta, ellei järjestelmää tutkita erittäin monta kertaa tai havaittava on erityisen hienorakeinen. Seurauksena tuloksistamme on, että myös epätasapainoisen prosessin ei-Markovian koko ja muut moniaikaiset ominaisuudet tasapainottavat.

Suositeltu kuva: Satunnainen, ajasta riippuvainen moniaikainen odotusarvo $langle textbf{A}_textbf{k} rangle_{Upsilon} (Delta t_1, dots,Delta t_k ) $ näytetään (ylhäällä), joka voidaan laskea kvanttiprosessista tensori $Upsilon$, joka koostuu yhtenäisistä evoluution superoperaattoreista $mathcal{U}_i$ ja jostakin alkutilasta $rho$. Jos järjestelmässä, jonka alkutila on päällekkäin merkittävästi monien energiaominaistilojen kanssa, jos järjestelmää ei tutkita liian monta kertaa $k$, osoitamme, että keskimäärin tätä moniaikakorrelaatiofunktiota ei voida erottaa ajasta riippumattomasta tasapainosuureesta (alhaalla), $langle textbf{A}_textbf{k} rangle_{Omega}$.

Suosittu yhteenveto

Miksi monikappalejärjestelmän makroskooppiset ominaisuudet ovat yleensä likimäärin paikallaan, vaikka tarkka miskrotila kehittyy jatkuvasti? Yleisesti uskotaan, että kvanttimekaniikan pitäisi yksinään riittää tilastollisen mekaniikan johtamiseen ilman lisäoletuksia. Tämän palapelin keskeinen osa on määrittää, kuinka voidaan tarkkailla paikallaan olevia suureita eristetyssä kvanttijärjestelmässä. Tässä työssä näytämme, että moniaikaiset odotusarvot näyttävät keskimäärin paikallaan olevilta suurissa järjestelmissä, kun alkutila ei ole kovin hienosäädetty ja kun havaittava on karkeaa sekä tilassa että ajassa. Tämä tarkoittaa, että asiaankuuluvat moniajan ominaisuudet, kuten kvanttijärjestelmän muistin määrä, ovat yleisesti riippumattomia tarkasta tutkitusta ajasta.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

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

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

[3] N. Pottier, Nonequilibrium Statistical Physics: Linear Irreversible Processes, Oxford Graduate Texts (Oxford University Press, 2010).

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

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

[6] G. Stefanucci ja R. van Leeuwen, Nonequilibrium Many-Body Theory of Quantum Systems: A Modern Introduction (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 ja 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 ja K. Modi, Phys. Lett. 120, 040405 (2018b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.040405

[10] L. Li, MJ Hall ja HM Wiseman, Phys. Rep. 759, 1 (2018), kvantti-ei-Markovian käsitteet: Hierarkia.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2018.07.001

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

[12] S. Milz ja 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 ja K. Modi, "Equilibration of ei-markovan kvanttiprosessit äärellisillä aikaväleillä", (2021), arXiv:2112.01099 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2112.01099
arXiv: 2112.01099

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

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

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

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

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

[19] LC Venuti, "Toistumisaika kvanttimekaniikassa", (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] Á. M. Alhambra, J. Riddell ja LP García-Pintos, Phys. Rev. Lett. 124, 110605 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.110605

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

[23] J. Gemmer, M. Michel ja G. Mahler, Quantum Thermodynamics: Emergence of Thermodynamic Behavior Within Composite Quantum Systems, Lecture Notes in Physics (Springer Berlin Heidelberg, 2009).
https: / / doi.org/ 10.1007 / b98082

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

[25] T. Mori, T. N. Ikeda, E. Kaminishi ja M. Ueda, J. Phys. B: klo. Mol. Valita. 51, 112001 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1361-6455 / aabcdf

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

[27] G. Chiribella, GM D'Ariano, ja 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, New 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 ja JT Lewis, Commun. Matematiikka. Phys. 17, 239 (1970).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01647093

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

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

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

[35] L. Hardy, "Operatiivinen yleinen suhteellisuusteoria: Possibilistic, probabilistic ja quantum", (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 ja F. Wilczek, J. High Energy Phys. 2018, 93 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / JHEP09 (2018) 093

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

[38] F. Caruso, V. Giovannetti, C. Lupo ja 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 ja B. Tackmann, IEEE Transactions on Information Theory 63, 3277 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2017.2676805

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

[41] O. Oreshkov, F. Costa ja Č. Brukner, Nat. Commun. 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 ja F. Costa, Quantum 5, 440 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-26-440

[44] P. Strasberg ja 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 ja 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 ja SF Huelga, Phys. Rev. X 10, 041049 (2020b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.041049

[48] V. Chernyak, F. cv Šanda ja 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 ja GR Fleming, Nature 446, 782 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature05678

[50] F. Krumm, J. Sperling ja 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 ja 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 ja 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 ja 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 ja 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 ja K. Modi, "From monta-body to monta-time physics", (2022), arXiv:2107.13934 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.13934
arXiv: 2107.13934

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

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

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

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

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

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

[62] JM Deutsch, Phys. 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-Math. Gen. 32, 1163 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​32/​7/​007

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

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

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

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

[69] J. Richter, J. Gemmer ja 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 ja O. Gühne, SciPost Phys. 10, 141 (2021).
https: / / doi.org/ 10.21468 / SciPostPhys.10.6.141

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

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

[73] Aleksei Kitaev, "2015 läpimurtopalkinnon perusfysiikan symposiumi", url: https://​/​breakthroughprize.org/​Laureates/​1/​L3 (2014).
https://​/​breakthroughprize.org/​Laureates/​1/​L3

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

[75] N. Dowling ja K. Modi, "Kvanttikaaos = tilavuuslaki spatiotemporaalinen kietoutuminen", (2022), arXiv:2210.14926 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2210.14926
arXiv: 2210.14926

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

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

[78] A. Riera, C. Gogolin ja 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 ja AJ Short, Phys. Rev. E 90, 012121 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.90.012121

[80] H. Wilming, TR de Oliveira, AJ Short ja J. Eisert, "Equilibration times in closed quantum many-body systems", teoksessa Thermodynamics in the Quantum Regime: Fundamental Aspects and New Directions, toimittanut F. Binder, LA Correa, C. Gogolin, J. Anders ja G. Adesso (Springer International Publishing, Cham, 2018) s. 435–455.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-99046-0_18

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

[82] J. Watrous, The Theory of Quantum Information (Cambridge University Press, 2018).
https: / / doi.org/ 10.1017 / +9781316848142

[83] MM Wilde, "From Classical to Quantum Shannon Theory", (2011), arXiv: 1106.1445 [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1017 / +9781316809976.001
arXiv: 1106.1445

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

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

[86] WR Inc., "Mathematica, versio 12.3.1", Champaign, IL, 2021.

[87] J. Miszczak, Z. Puchała ja P. Gawron, "Qi-paketti kvanttijärjestelmien analyysiin" (2011-).
https://​/​github.com/​iitis/​qi

Viitattu

[1] Philipp Strasberg, "Classicality with (out) dekoherenssi: käsitteet, suhde markovisuuteen ja satunnaismatriisiteorian lähestymistapa", arXiv: 2301.02563, (2023).

[2] Philipp Strasberg, Teresa E. Reinhard ja Joseph Schindler, "Everything Everywhere All At Once: A First Principles Numerical Demonstration of Emergent Decoherent Histories", arXiv: 2304.10258, (2023).

[3] Philipp Strasberg, Andreas Winter, Jochen Gemmer ja Jiaozi Wang, "Klassisuus, markovisuus ja paikallinen yksityiskohtainen tasapaino puhtaasta tiladynamiikasta", arXiv: 2209.07977, (2022).

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

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

[6] Neil Dowling, Pedro Figueroa-Romero, Felix A. Pollock, Philipp Strasberg ja Kavan Modi, "Moniaikaisten kvanttiprosessien tasapainottaminen äärellisillä aikaväleillä", arXiv: 2112.01099, (2021).

[7] Pengfei Wang, Hyukjoon Kwon, Chun-Yang Luan, Wentao Chen, Mu Qiao, Zinan Zhou, Kaizhao Wang, MS Kim ja Kihwan Kim, "Moniaikaisten kvanttitilastojen esittely ilman mittauksen vastatoimia". arXiv: 2207.06106, (2022).

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2023-06-04 12:55:03). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

On Crossrefin siteerattu palvelu tietoja teosten viittaamisesta ei löytynyt (viimeinen yritys 2023-06-04 12:55:02).

Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal