Релаксация многовременной статистики в квантовых системах

Релаксация многовременной статистики в квантовых системах

Отметка времени: 1 июня 2023 г., 8:30
Исходный узел: 2699820

Нил Даулинг1, Педро Фигероа-Ромеро2, Феликс А. Поллок1, Филипп Страсберг3и Каван Моди1

1Школа физики и астрономии Университета Монаш, Виктория 3800, Австралия
2Центр исследований квантовых вычислений Hon Hai, Тайбэй, Тайвань
3Фантастическая Теория: Информационные и Женские Кванты, Департамент Физики, Автономный Университет Барселоны, 08193 Беллатерра (Барселона), Испания

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Равновесная статистическая механика предоставляет мощные инструменты для понимания физики на макроуровне. Тем не менее, остается вопрос, как это можно обосновать на основе микроскопического квантового описания. Здесь мы расширяем идеи квантовой статистической механики чистого состояния, которые сосредоточены на единичной статистике времени, чтобы показать уравновешивание изолированных квантовых процессов. А именно, мы показываем, что большинство многократных наблюдаемых для достаточно больших времен не могут отличить неравновесный процесс от равновесного, если только система не исследуется чрезвычайно большое количество раз или наблюдаемая не является особенно мелкозернистой. Следствием наших результатов является то, что величина немарковости и другие многовременные характеристики неравновесного процесса также уравновешиваются.

Рекомендуемое изображение: показано произвольное, зависящее от времени многократное математическое ожидание $langle textbf{A}_textbf{k} rangle_{Upsilon} (Delta t_1, dots,Delta t_k ) $ (вверху), которое можно вычислить с помощью квантового процесса. тензор $Upsilon$, состоящий из унитарных эволюционных супероператоров $mathcal{U}_i$ и некоторого начального состояния $rho$. Для системы, в которой начальное состояние значительно перекрывается со многими собственными энергетическими состояниями, если система не исследуется слишком много раз $k$, мы показываем, что в среднем эта многократная корреляционная функция неотличима от не зависящей от времени равновесной величины (внизу), $langle textbf{A}_textbf{k} rangle_{Omega}$.

Популярное резюме

Почему макроскопические свойства системы многих тел обычно приблизительно стационарны, несмотря на то, что точное микросостояние постоянно меняется? Широко распространено мнение, что одной квантовой механики должно быть достаточно для вывода статистической механики без каких-либо дополнительных предположений. Ключевым элементом этой головоломки является определение того, как можно наблюдать стационарные величины в изолированной квантовой системе. В этой работе мы показываем, что многократные математические ожидания в среднем выглядят стационарными в больших системах, когда начальное состояние не очень точно настроено, а наблюдаемые являются грубыми как в пространстве, так и во времени. Это означает, что соответствующие многовременные характеристики, такие как объем памяти в квантовой системе, в общем случае не зависят от точного исследуемого времени.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] А. Ривас и С.Ф. ван Хуелга, Открытые квантовые системы (Springer-Verlag, 2012).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-23354-8

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

[3] Н. Потье, Неравновесная статистическая физика: линейные необратимые процессы, Оксфордские тексты для выпускников (Oxford University Press, 2010).

[4] Р. Кубо, представитель Prog. физ. 29, 255 (1966).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​29/​1/​306

[5] У. Вайс, Квантовые диссипативные системы, 4-е изд. (Всемирный научный, 2012).
https: / / doi.org/ 10.1142 / 8334

[6] Г. Стефануччи и Р. ван Леувен, Неравновесная теория многих тел квантовых систем: современное введение (Cambridge University Press, 2013).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139023979

[7] М. Лакс, Phys. 157, 213 (1967).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.157.213

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

[9] FA Pollock, C. Rodríguez-Rosario, T. Frauenheim, M. Paternostro и K. Modi, Phys. Преподобный Летт. 120, 040405 (2018б).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.040405

[10] L. Li, MJ Hall и HM Wiseman, Phys. Rep. 759, 1 (2018), концепции квантовой немарковщины: иерархия.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2018.07.001

[11] С. Милз, Ф. Сакулди, Ф. А. Поллок и К. Моди, Quantum 4, 255 (2020a).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-04-20-255

[12] С. Милц и К. Моди, PRX Quantum 2, 030201 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030201

[13] Н. Даулинг, П. Фигероа-Ромеро, Ф. Поллок, П. Страсберг и К. Моди, «Уравновешивание немарковских квантовых процессов за конечные интервалы времени», (2021), arXiv: 2112.01099 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2112.01099
Arxiv: 2112.01099

[14] N. Linden, S. Popescu, AJ Short, and A. Winter, Phys. Ред. Е 79, 061103 (2009 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.79.061103

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

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

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

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

[19] LC Venuti, «Время повторения в квантовой механике», (2015), arXiv: 1509.04352 [quant-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1509.04352
Arxiv: 1509.04352

[20] П. Рейманн, Phys. Преподобный Летт. 101, 190403 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.190403

[21] А. M. Alhambra, J. Riddell, and LP García-Pintos, Phys. Преподобный Летт. 124, 110605 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.110605

[22] P. Figueroa-Romero, FA Pollock, and K. Modi, Commun. физ. 4, 127 (2021).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s42005-021-00629-ш

[23] Дж. Геммер, М. Мишель и Г. Малер, Квантовая термодинамика: возникновение термодинамического поведения в составных квантовых системах, конспект лекций по физике (Springer Berlin Heidelberg, 2009).
https: / / doi.org/ 10.1007 / b98082

[24] Л. Д'Алессио, Ю. Кафри, А. Полковников и М. Ригол, Adv. физ. 65, 239 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00018732.2016.1198134

[25] T. Mori, TN Ikeda, E. Kaminishi, and M. Ueda, J. Phys. Летучая мышь. Мол. Опц. 51, 112001 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1361-6455 / aabcdf

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

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

[28] Х. Тасаки, Phys. Преподобный Летт. 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] М. Уэда, Нац. Преподобный физ. 2, 669 (2020).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1038 / s42254-020-0237-х

[31] Э. Б. Дэвис и Дж. Т. Льюис, Commun. Мат. физ. 17, 239 (1970).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01647093

[32] Г. Чирибелла, Г. М. Д`Ариано и П. Перинотти, EPL (Europhysics Letters) 83, 30004 (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1209/​0295-5075/​83/​30004

[33] Л. Харди, J. Phys. А-Математика. Теор. 40, 3081 (2007).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​40/​12/​s12

[34] Л. Харди, Philos. ТР Соц. А 370, 3385 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rsta.2011.0326

[35] Л. Харди, «Операционная общая теория относительности: возможностная, вероятностная и квантовая», (2016), arXiv:1608.06940 [gr-qc].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1608.06940
Arxiv: 1608.06940

[36] Дж. Котлер, К.-М. Цзянь, X.-L. Qi и F. Wilczek, J. High Energy Phys. 2018, 93 (2018).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1007 / JHEP09 (2018) 093

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

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

[39] К. Портманн, К. Мэтт, У. Маурер, Р. Реннер и Б. Такманн, IEEE Transactions on Information Theory 63, 3277 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2017.2676805

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

[41] О. Орешков, Ф. Коста и Ч. Брукнер, Нат. коммун. 3, 1092 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2076

[42] П. Страсберг, Phys. Ред. E 100, 022127 (2019a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.100.022127

[43] К. Джармаци и Ф. Коста, Quantum 5, 440 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-26-440

[44] П. Страсберг и А. Винтер, Phys. Ред. E 100, 022135 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.100.022135

[45] П. Страсберг, Phys. Преподобный Летт. 123, 180604 (2019б).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.180604

[46] П. Страсберг и М.Г. Диас, физ. 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, and SF Huelga, Phys. Ред. X 10, 041049 (2020b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.041049

[48] Черняк В., Шанда Ф., Мукамель С. // Phys. Ред. Е 73, 036119 (2006 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.73.036119

[49] Г.С. Энгель, Т.Р. Калхун, Э.Л. Рид, Т.-К. Ан, Т. Манчал, Ю.-К. Ченг, Р.Е. Бланкеншип и Г.Р. Флеминг, Nature 446, 782 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature05678

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

[51] E. Moreva, M. Gramegna, G. Brida, L. Maccone, M. Genovese, Phys. Ред. 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 и RJD Miller, Proc Natl Acad Sci USA 114, 8493 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1702261114

[53] М. Рингбауэр, Ф. Коста, М. Е. Гоггин, А. Г. Уайт и А. Федрицци, npj Quantum Information 4, 37 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-018-0086-й

[54] ГЭЛ Уайт, К.Д. Хилл, Ф.А. Поллок, Л.С.Л. Холленберг и К. Моди, Nature Communications 11, 6301 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-20113-3

[55] Г. А. Уайт, Ф. А. Поллок, Л. С. Л. Холленберг, К. Д. Хилл и К. Моди, «От физики многих тел к физике многих времен», (2022), arXiv: 2107.13934 [квант-ф].
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.13934
Arxiv: 2107.13934

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

[57] П. Таранто, Ф.А. Поллок и К. Моди, npj Quantum Information 7, 149 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00481-4

[58] Милц С., Ким М.С., Поллок Ф.А., Моди К. // Phys. Преподобный Летт. 123, 040401 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.040401

[59] D. Burgarth, P. Facchi, M. Ligabo и D. Lonigro, Phys. Ред. А 103, 012203 (2021a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.012203

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

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

[62] Дж. М. Дойч, Phys. Ред. А 43, 2046 (1991).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.43.2046

[63] М. Средницкий, Phys. Ред. Е 50, 888 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.50.888

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

[65] Ригол М., Дунько В., Юровский В., Ольшаний М. // Физ. Преподобный Летт. 98, 050405 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.050405

[66] М. Ригол, В. Дунько и М. Ольшаний, Nature 452, 854 EP (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature06838

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

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

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

[70] С. Милц, К. Шпее, З.-П. Xu, FA Pollock, K. Modi, and O. Gühne, SciPost Phys. 10, 141 (2021).
https: / / doi.org/ 10.21468 / SciPostPhys.10.6.141

[71] Р. Дюмке, J. Math. физ. 24, 311 (1983).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.525681

[72] П. Фигероа-Ромеро, К. Моди и Ф. А. Поллок, Quantum 3, 136 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-04-30-136

[73] Алексей Китаев, «Симпозиум по фундаментальной физике за прорыв 2015 года», URL: https://​/​breakthroughprize.org/​Laureates/​1/​L3 (2014).
https://​/​breakthroughprize.org/​Laureates/​1/​L3

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

[75] Н. Доулинг и К. Моди, «Квантовый хаос = пространственно-временная запутанность по объемному закону», (2022), arXiv: 2210.14926 [квант-ph].
https://​/​doi.org/​10.48550/​ARXIV.2210.14926
Arxiv: 2210.14926

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

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

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

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

[80] Х. Уилминг, Т. Р. де Оливейра, А. Дж. Шорт и Дж. Эйзерт, «Время равновесия в замкнутых квантовых системах многих тел», в книге «Термодинамика в квантовом режиме: фундаментальные аспекты и новые направления», под редакцией Ф. Биндера, Л. А. Корреа, К. Гоголин, Дж. Андерс и Г. Адессо (Springer International Publishing, Cham, 2018), стр. 435–455.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-99046-0_18

[81] Милц С., Поллок Ф.А., Моди К., Open Syst. Инф. Дин. 24, 1740016 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S1230161217400169

[82] Дж. Уотроус, Теория квантовой информации (Cambridge University Press, 2018).
https: / / doi.org/ 10.1017 / 9781316848142

[83] М. М. Уайльд, «От классической к квантовой теории Шеннона», (2011), arXiv:1106.1445 [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1017 / 9781316809976.001
Arxiv: 1106.1445

[84] Дж. Уотрус, Quantum Inf. вычисл. 5 (2004), 10.26421/QIC5.1-6.
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC5.1-6

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

[86] WR Inc., «Mathematica, версия 12.3.1», Шампейн, Иллинойс, 2021 г.

[87] J. Miszczak, Z. Puchała и P. Gawron, «Пакет Qi для анализа квантовых систем» (2011-).
https://​/​github.com/​iitis/​qi

Цитируется

[1] Филипп Страсберг, «Классичность без (вне) декогеренции: концепции, отношение к марковизму и подход теории случайных матриц», Arxiv: 2301.02563, (2023).

[2] Филипп Страсберг, Тереза ​​Э. Рейнхард и Джозеф Шиндлер, «Все и везде сразу: числовая демонстрация первых принципов возникающих декогерентных историй», Arxiv: 2304.10258, (2023).

[3] Филипп Страсберг, Андреас Винтер, Йохен Геммер и Цзяози Ван, «Классичность, марковианство и локальный детальный баланс из динамики чистого состояния», Arxiv: 2209.07977, (2022).

[4] Нил Доулинг и Каван Моди, «Квантовый хаос = пространственно-временная запутанность по закону объема», Arxiv: 2210.14926, (2022).

[5] И.А. Алоизио, Г.Э.Л. Уайт, К.Д. Хилл и К. Моди, «Сложность дискретизации открытых квантовых систем», PRX Quantum 4 2, 020310 (2023).

[6] Нил Даулинг, Педро Фигероа-Ромеро, Феликс А. Поллок, Филипп Страсберг и Каван Моди, «Уравновешивание многовременных квантовых процессов в конечных интервалах времени», Arxiv: 2112.01099, (2021).

[7] Пэнфэй Ван, Хюкджун Квон, Чун-Ян Луан, Вентао Чен, Му Цяо, Зинан Чжоу, Кайчжао Ван, М.С. Ким и Кихван Ким, «Демонстрация многовременной квантовой статистики без обратного измерения», Arxiv: 2207.06106, (2022).

Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2023-06-04 12:55:03). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.

On Цитируемый сервис Crossref Данные о цитировании работ не найдены (последняя попытка 2023-06-04 12:55:02).

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал