Effecten van half geheel getal versus geheel getal bij kwantumsynchronisatie van spinsystemen

Effecten van half geheel getal versus geheel getal bij kwantumsynchronisatie van spinsystemen

Tijdstempel: 29 december 2022 10:11 uur
Bronknooppunt: 1792124

Ryan Tan1, Christoph Bruder1, en Martin Koppenhöfer2

1Afdeling Natuurkunde, Universiteit van Basel, Klingelbergstrasse 82, CH-4056 Basel, Zwitserland
2Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago, Chicago, Illinois 60637, VS.

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

We bestuderen de kwantumsynchronisatie van een enkele spin aangedreven door een extern semi-klassiek signaal voor spingetallen groter dan $S = 1$, het kleinste systeem dat een zelfvoorzienende kwantumoscillator herbergt. Het optreden van op interferentie gebaseerde kwantumsynchronisatieblokkade blijkt kwalitatief verschillend te zijn voor spingetal $S$ met een geheel getal versus een half geheel getal. We verklaren dit fenomeen als het samenspel tussen het externe signaal en de structuur van de limietcyclus bij het genereren van coherentie in het systeem. Bovendien laten we zien dat hetzelfde dissipatieve limiet-cyclus-stabilisatiemechanisme leidt tot zeer verschillende niveaus van kwantumsynchronisatie voor integer vs. half-integer $S$. Door echter voor elk spingetal een geschikte limietcyclus te kiezen, kunnen vergelijkbare niveaus van kwantumsynchronisatie worden bereikt voor spinsystemen met zowel gehele als halve gehele getallen.

Uitgelichte afbeelding: maximaal synchronisatieniveau voor verschillende waarden van spin $S$ en verschillende limietcycli. Door verschillende limiet-cyclusoscillatoren te kiezen, afhankelijk van de grootte van het spinsysteem, wordt een monotone groei van het maximale niveau van kwantumsynchronisatie gevonden als een functie van de grootte van de spin van het systeem.

Populaire samenvatting

Klassieke synchronisatie wordt sinds de 17e eeuw bestudeerd en heeft toepassingen in veel gebieden van ons dagelijks leven, zoals in tijdwaarnemingsapparaten en elektriciteitsnetten. Kwantumsystemen kunnen ook synchroniseren en ze hebben een aantal echte kwantumeffecten in hun synchronisatiegedrag. Een voorbeeld is een op interferentie gebaseerde kwantumsynchronisatieblokkade in aangedreven kwantumlimiet-cyclusoscillatoren, waarbij een destructief interferentie-effect synchronisatie verhindert, ook al wordt een extern signaal toegepast. Spinsystemen zijn een handig platform om kwantumsynchronisatie te bestuderen vanwege hun eindige (en typisch laagdimensionale) Hilbertruimte.

Hier analyseren we hoe kwantumsynchronisatie afhangt van de grootte van het spinsysteem. Voor specifieke combinaties van een kwantumlimiet-cyclusoscillator en een toegepast signaal vinden we kwalitatieve verschillen in het aantal synchronisatieblokkades en sterke oscillaties in de maximale hoeveelheid synchronisatie, afhankelijk van of de spin een geheel of een half geheel getal is. Als men echter verschillende limiet-cyclusoscillatoren kiest, afhankelijk van de grootte van het spinsysteem, wordt een monotone groei van het maximale niveau van kwantumsynchronisatie gevonden als een functie van de grootte van de spin van het systeem.

Onze resultaten werpen licht op de complexe interferentie-effecten in kwantumsynchronisatie en zijn een eerste stap in de richting van het bestuderen van de kwantum-naar-klassieke overgang in synchronisatie.

► BibTeX-gegevens

► Referenties

[1] Arkady Pikovsky, Michael Rosenblum en Jürgen Kurths. "Synchronisatie: een universeel concept in niet-lineaire wetenschappen". Cambridge niet-lineaire wetenschapsserie. Cambridge University Press. (2001).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511755743

[2] Steven H Strogatz. "Sync: hoe orde ontstaat uit chaos in het universum, de natuur en het dagelijks leven". Hachette VK. (2012). url: https://​/​www.hachettebooks.com/​titles/​steven-h-strogatz/​sync/​9781401304461/​.
https://​/​www.hachettebooks.com/​titles/​steven-h-strogatz/​sync/​9781401304461/​

[3] OV Zhirov en DL Shepelyansky. "Kwantumsynchronisatie". EUR. Fysiek. JD 38, 375 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1140 / epjd / e2006-00011-9

[4] Max Ludwig en Florian Marquardt. "Kwantum veel-lichaamsdynamiek in optomechanische arrays". Fysiek. Eerwaarde Lett. 111, 073603 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.073603

[5] Claire Davis-Tilley en AD Armor. "Synchronisatie van micromasers". Fysiek. Rev A 94, 063819 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.063819

[6] Tony E. Lee en HR Sadeghpour. "Kwantumsynchronisatie van kwantum van der Pol-oscillatoren met ingesloten ionen". Fysiek. Eerwaarde Lett. 111, 234101 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.234101

[7] Talitha Weiss, Stefan Walter en Florian Marquardt. "Quantum-coherente fase-oscillaties in synchronisatie". Fysiek. Rev A 95, 041802 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.041802

[8] Niels Lörch, Simon E Nigg, Andreas Nunnenkamp, ​​Rakesh P Tiwari en Christoph Bruder. "Kwantumsynchronisatieblokkade: energiekwantisering belemmert synchronisatie van identieke oscillatoren". Fysiek. Eerwaarde Lett. 118, 243602 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.243602

[9] Ehud Amitai, Niels Lörch, Andreas Nunnenkamp, ​​Stefan Walter en Christoph Bruder. "Synchronisatie van een optomechanisch systeem met een externe schijf". Fysiek. Rev A 95, 053858 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.053858

[10] Ehud Amitai, Martin Koppenhöfer, Niels Lörch en Christoph Bruder. "Kwantumeffecten in amplitudedood van gekoppelde anharmonische zelfoscillatoren". Fysiek. Rev. E 97, 052203 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.97.052203

[11] Najmeh Es'haqi-Sani, Gonzalo Manzano, Roberta Zambrini en Rosario Fazio. "Synchronisatie langs kwantumtrajecten". Fysiek. Rev. Onderzoek 2, 023101 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.023101

[12] Christopher Wächtler en Gloria Platero. "Topologische synchronisatie van kwantum van der pol-oscillatoren" (2022). arxiv:2208.01061.
arXiv: 2208.01061

[13] Steven H Strogatz. "Niet-lineaire dynamiek en chaos: met toepassingen in de natuurkunde". CRC pers. (2015).

[14] Igor Goychuk, Jesús Casado-Pascual, Manuel Morillo, Jörg Lehmann en Peter Hänggi. "Quantum stochastische synchronisatie". Fysiek. Eerwaarde Lett. 97, 210601 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.97.210601

[15] OV Zhirov en DL Shepelyansky. "Synchronisatie en bistabiliteit van een qubit gekoppeld aan een aangedreven dissipatieve oscillator". Fysiek. Eerwaarde Lett. 100, 014101 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.014101

[16] GL Giorgi, F. Plastina, G. Francica en R. Zambrini. "Spontane synchronisatie en kwantumcorrelatiedynamiek van open spinsystemen". Fysiek. Rev A 88, 042115 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.042115

[17] Minghui Xu, DA Tieri, EC Fine, James K. Thompson en MJ Holland. "Synchronisatie van twee ensembles van atomen". Fysiek. Eerwaarde Lett. 113, 154101 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.154101

[18] V. Ameri, M. Eghbali-Arani, A. Mari, A. Farace, F. Kheirandish, V. Giovannetti en R. Fazio. "Onderlinge informatie als ordeparameter voor kwantumsynchronisatie". Fysiek. Rev A 91, 012301 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.91.012301

[19] Alexandre Roulet en Christoph Bruder. “Het kleinst mogelijke systeem synchroniseren”. Fysiek. Eerwaarde Lett. 121, 053601 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.053601

[20] Alexandre Roulet en Christoph Bruder. "Kwantumsynchronisatie en verstrengeling genereren". Fysiek. Eerwaarde Lett. 121, 063601 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.063601

[21] Martin Koppenhöfer en Alexandre Roulet. "Optimale synchronisatie diep in het kwantumregime: hulpbron en fundamentele limiet". Fysiek. Rev. A 99, 043804 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.043804

[22] C. Senko, P. Richerme, J. Smith, A. Lee, I. Cohen, A. Retzker en C. Monroe. "Realisatie van een quantum integer-spin-keten met bestuurbare interacties". Fysiek. Rev X 5, 021026 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.5.021026

[23] Matthew Neeley, Markus Ansmann, Radoslaw C Bialczak, Max Hofheinz, Erik Lucero, Aaron D O'Connell, Daniel Sank, Haohua Wang, James Wenner, Andrew N Cleland, et al. "Emulatie van een kwantumspin met een supergeleidende fase qudit". Wetenschap 325, 722-725 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1173440

[24] Martin Koppenhöfer, Christoph Bruder en Alexandre Roulet. "Kwantumsynchronisatie op het ibm q-systeem". Fysiek. Rev. Onderzoek 2, 023026 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.023026

[25] Arif Warsi Laskar, Pratik Adhikary, Suprodip Mondal, Parag Katiyar, Sai Vinjanampathy en Saikat Ghosh. "Observatie van kwantumfasesynchronisatie in spin-1-atomen". Fysiek. Eerwaarde Lett. 125, 013601 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.013601

[26] VR Krithika, Parvinder Solanki, Sai Vinjanampathy en TS Mahesh. "Observatie van kwantumfasesynchronisatie in een nucleair-spinsysteem". Fysiek. Rev. A 105, 062206 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.105.062206

[27] GS Agarwal en RR Puri. "Niet-evenwichtsfase-overgangen in een samengedrukte holte en het genereren van spintoestanden die voldoen aan onzekerheidsgelijkheid". Optica Communicatie 69, 267-270 (1989).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0030-4018(89)90113-2

[28] GS Agarwal en RR Puri. "Coöperatief gedrag van atomen bestraald door breedband geperst licht". Fysiek. Rev. A 41, 3782-3791 (1990).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.41.3782

[29] RG Unanyan en M. Fleischhauer. "Decoherentievrije generatie van verstrengeling met veel deeltjes door adiabatische grondtoestandovergangen". Fysiek. Eerwaarde Lett. 90, 133601 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.90.133601

[30] Julien Vidal, Rémy Mosseri en Jorge Dukelsky. "Verstrengeling in een kwantumfaseovergang van de eerste orde". Fysiek. Rev. A 69, 054101 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.69.054101

[31] Klaus Mølmer en Anders Sørensen. "Verstrengeling van meerdere deeltjes van hete gevangen ionen". Fysiek. Eerwaarde Lett. 82, 1835-1838 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.82.1835

[32] D. Leibfried, MD Barrett, T. Schaetz, J. Britton, J. Chiaverini, WM Itano, JD Jost, C. Langer en DJ Wineland. "Op weg naar heisenberg-beperkte spectroscopie met verstrengelde toestanden met meerdere deeltjes". Wetenschap 304, 1476-1478 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1097576

[33] D. Leibfried, E. Knill, S. Seidelin, J. Britton, RB Blakestad, J. Chiaverini, DB Hume, WM Itano, JD Jost, C. Langer, R. Ozeri, R. Reichle en DJ Wineland. "Creatie van een zes-atomige Schrödinger-kattoestand". Natuur 438, 639-642 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature04251

[34] Peter Groszkowski, Martin Koppenhöfer, Hoi-Kwan Lau en AA-klerk. "Reservoir-ontworpen spin-squeezing: macroscopische even-oneven effecten en implementaties van hybride systemen". Fysiek. Rev X 12, 011015 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.12.011015

[35] A. Mari, A. Farace, N. Didier, V. Giovannetti en R. Fazio. "Maatregelen van kwantumsynchronisatie in continu variabele systemen". Fysiek. Eerwaarde Lett. 111, 103605 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.103605

[36] Tony E. Lee, Ching-Kit Chan en Shenshen Wang. "Verstrengelingstong en kwantumsynchronisatie van ongeordende oscillatoren". Fysiek. Rev. E 89, 022913 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.89.022913

[37] Fernando Galve, Gian Luca Giorgi en Roberta Zambrini. "Lezingen over algemene kwantumcorrelaties en hun toepassingen". Hoofdstuk Quantumcorrelaties en synchronisatiemaatregelen, pagina's 393-420. Uitgeverij Springer International. (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-53412-1_18

[38] Noufal Jaseem, Michal Hajdušek, Parvinder Solanki, Leong-Chuan Kwek, Rosario Fazio en Sai Vinjanampathy. "Gegeneraliseerde maatstaf voor kwantumsynchronisatie". Fysiek. Rev. Onderzoek 2, 043287 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043287

[39] Michael R. Hush, Weibin Li, Sam Genway, Igor Lesanovsky en Andrew D. Armour. "Spincorrelaties als een sonde van kwantumsynchronisatie in fononlasers met ingesloten ionen". Fysiek. Rev A 91, 061401 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.91.061401

[40] Talitha Weiss, Andreas Kronwald en Florian Marquardt. "Door ruis veroorzaakte overgangen in optomechanische synchronisatie". Nieuw Journal of Physics 18, 013043 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​1/​013043

[41] JM Radcliffe. "Enkele eigenschappen van coherente spintoestanden". J. van Phys. A: Algemene natuurkunde 4, 313 (1971).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​4/​3/​009

[42] Berislav Buca, Cameron Booker en Dieter Jaksch. "Algebraïsche theorie van kwantumsynchronisatie en limietcycli onder dissipatie". SciPost Physics 12, 097 (2022).
https: / / doi.org/ 10.21468 / SciPostPhys.12.3.097

[43] DM Brink en GR Satchler. "Hoekmomentum". Clarendon Press. (1968).

[44] EP Wigner. "Groepstheorie: en de toepassing ervan op de kwantummechanica van atomaire spectra". Academische pers. (1959).

Geciteerd door

[1] Parvinder Solanki, Faraz Mohd Mehdi, Michal Hajdušek en Sai Vinjanampathy, "Symmetrieën en synchronisatieblokkade", arXiv: 2212.09388.

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2022-12-30 03:29:08). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.

On De door Crossref geciteerde service er zijn geen gegevens gevonden over het citeren van werken (laatste poging 2022-12-30 03:29:07).

Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal