1SUPA, School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, St Andrews KY16 9SS, Storbritannien
2School of Mathematics and Physics, University of Queensland, St Lucia, Queensland 4072, Australien
3Institut for Fysik og SUPA, University of Strathclyde, Glasgow G4 0NG, Storbritannien
Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.
Abstrakt
At spore de miljømæssige frihedsgrader er en nødvendig procedure, når man simulerer åbne kvantesystemer. Selvom det er et væsentligt skridt i at udlede en håndterbar hovedligning, repræsenterer det et tab af information. I situationer, hvor der er et stærkt samspil mellem systemet og miljøets frihedsgrader, gør dette tab at forstå dynamikken udfordrende. Disse dynamikker, når de ses isoleret, har ingen tidslokal beskrivelse: de er ikke-markovske og hukommelseseffekter inducerer komplekse træk, som er svære at fortolke. For at løse dette problem viser vi her, hvordan man bruger systemkorrelationer, beregnet ved en hvilken som helst metode, til at udlede en hvilken som helst korrelationsfunktion for et gaussisk miljø, så længe koblingen mellem system og miljø er lineær. Dette tillader ikke kun rekonstruktion af den fulde dynamik af både system og miljø, men åbner også muligheder for at studere effekten af et system på dets miljø. For at opnå nøjagtig baddynamik udnytter vi en numerisk nøjagtig tilgang til simulering af systemdynamikken, som er baseret på konstruktionen og sammentrækningen af et tensornetværk, der repræsenterer procestensoren i dette åbne kvantesystem. Ved at bruge dette er vi i stand til at finde en hvilken som helst systemkorrelationsfunktion nøjagtigt. For at demonstrere anvendeligheden af vores metode viser vi, hvordan varme bevæger sig mellem forskellige tilstande af et bosonisk bad, når det kobles til et to-niveau system, der er underlagt et off-resonant drev.
► BibTeX-data
► Referencer
[1] HP Breuerand F. Petruccione "The Theory of Open Quantum Systems" Oxford University Press (2002).
[2] AW Chin, J. Prior, R. Rosenbach, F. Caycedo-Soler, SF Huelga og MB Plenio, "Rollen af ikke-ligevægtsvibrationsstrukturer i elektronisk sammenhæng og rekohærens i pigment-proteinkomplekser" Nat. Phy. 9, 113-118 (2013).
https://doi.org/10.1038/nphys2515
[3] M. Thorwart, J. Eckel, JH Reina, P. Nalbach og S. Weiss, "Forbedret kvantesammenfiltring i den ikke-markovske dynamik af biomolekylære excitoner" Chem. Phys. Lett. 478, 234-237 (2009).
https:///doi.org/10.1016/j.cplett.2009.07.053
[4] M. Mohseni, A. Shabani, S. Lloyd og H. Rabitz, "Energiskalakonvergens for optimal og robust kvantetransport i fotosyntetiske komplekser" J. Chem. Phys. 140, 035102 (2014).
https:///doi.org/10.1063/1.4856795
[5] Marco del Rey, Alex W. Chin, Susana F. Huelga og Martin B. Plenio, "Udnyttelse af strukturerede miljøer til effektiv energioverførsel: Phonon-antennemekanismen" J. Phys. Chem. Lett. 4, 903-907 (2013).
https://doi.org/10.1021/jz400058a
[6] Christine Maier, Tiff Brydges, Petar Jurcevic, Nils Trautmann, Cornelius Hempel, Ben P. Lanyon, Philipp Hauke, Rainer Blatt og Christian F. Roos, "Environment-Assisted Quantum Transport in a 10-qubit Network" Phys. Rev. Lett. 122, 050501 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.050501
[7] Dvira Segaland Bijay Kumar Agarwalla "Vibrationsvarmetransport i molekylære kryds" Ann. Rev. Phys. Chem. 67, 185-209 (2016).
https:///doi.org/10.1146/annurev-physchem-040215-112103
[8] S. Gröblacher, A. Trubarov, N. Prigge, GD Cole, M. Aspelmeyer og J. Eisert, "Observation af ikke-markovsk mikromekanisk Brownsk bevægelse" Nat. Commun. 6, 7606 (2015).
https:///doi.org/10.1038/ncomms8606
[9] Anton Potočnik, Arno Bargerbos, Florian AYN Schröder, Saeed A. Khan, Michele C. Collodo, Simone Gasparinetti, Yves Salathé, Celestino Creatore, Christopher Eichler, Hakan E. Türeci, Alex W. Chin og Andreas Wallraff, “Studying light- høstmodeller med superledende kredsløb” Nat. Commun. 9, 904 (2018).
https:///doi.org/10.1038/s41467-018-03312-x
[10] Heng-Na Xiong, Yi Li, Yixiao Huang og Zichun Le, "Photonic Crystal with Infinite Cavity-array Structure" Quant. Inf. & Komp. 18, 267-284 (2018).
https:///doi.org/10.26421/QIC18.3-4-6
[11] Inés de Vegaand Daniel Alonso "Dynamics of non-Markovian open quantum systems" Rev. Mod. Phys. 89, 015001 (2017).
https:///doi.org/10.1103/revmodphys.89.015001
[12] HP Breuer, EM Laine, J. Piilo og B. Vacchini, "Colloquium: Non-Markovian dynamics in open quantum systems" Rev. Mod. Phys. 88, 021002 (2016).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.88.021002
[13] Mark T Mitchison "Quantum termisk absorptionsmaskiner: køleskabe, motorer og ure" Contemp. Phys. 60, 164-187 (2019).
https:///doi.org/10.1080/00107514.2019.1631555
[14] F. Binder, LA Correa, C. Gogolin, J. Anders og G. Adesso, "Thermodynamics in the Quantum Regime" Springer, Cham (2018).
https://doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0
[15] M. Brenes, JJ Mendoza-Arenas, A. Purkayastha, MT Mitchison, SR Clark og J. Goold, "Tensor-netværksmetode til at simulere stærkt interagerende kvantetermiske maskiner" Fysisk. Rev. X 10, 031040 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.10.031040
[16] Philipp Strasberg, Gernot Schaller, Neill Lambert og Tobias Brandes, "Nonequilibrium thermodynamics in the strong coupling and non-Markovian regime based on a reaction coordinate mapping" New J. Phys. 18, 073007 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/7/073007
[17] Gerald D Mahan "Many-particle physics" Springer Science & Business Media (2013).
[18] Robert Silbey og Robert A. Harris "Variationsberegning af dynamikken i et to-niveau system, der interagerer med et bad" J. Chem. Phys. 80, 2615-2617 (1984).
https:///doi.org/10.1063/1.447055
[19] RA Harrisand R. Silbey “Variationsberegning af tunnelsystemet, der interagerer med et varmebad. II. Dynamics of a asymmetrisk tunneling system” J. Chem. Phys. 83, 1069-1074 (1985).
https:///doi.org/10.1063/1.449469
[20] Jozef T Devreese og Alexandre S Alexandrov "Fröhlich polaron og bipolaron: seneste udvikling" Rep. Prog. Phys. 72, 066501 (2009).
https://doi.org/10.1088/0034-4885/72/6/066501
[21] Alexey Kavokin og Guillaume Malpuech "Cavity polaritons" Elsevier (2003).
[22] Peter Kirton og Jonathan Keeling "Superstrålende og laserende tilstande i drevne-dissipative Dicke-modeller" New J. Phys. 20, 015009 (2018).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/aaa11d
[23] Alicia J Kollár, Alexander T Papageorge, Varun D Vaidya, Yudan Guo, Jonathan Keeling og Benjamin L Lev, "Supermode-density-wave-polariton condensation with a Bose-Einstein condensate in a multimode cavity" Nat. Commun. 8, 14386 (2017).
https:///doi.org/10.1038/ncomms14386
[24] Martin Gärttner, Justin G Bohnet, Arghavan Safavi-Naini, Michael L Wall, John J Bollinger og Ana Maria Rey, "Måling af ude af tid-orden korrelationer og flere kvantespektre i en fanget-ion kvantemagnet" Nat. Phy. 13, 781-786 (2017).
https://doi.org/10.1038/nphys4119
[25] Jun Li, Ruihua Fan, Hengyan Wang, Bingtian Ye, Bei Zeng, Hui Zhai, Xinhua Peng og Jiangfeng Du, "Måling af ude af tid-orden korrelatorer på en nuklear magnetisk resonans kvantesimulator" Fysisk. Rev. X 7, 031011 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.7.031011
[26] Mohamad Niknam, Lea F. Santos og David G. Cory, "Følsomhed af kvanteinformation over for miljøforstyrrelser målt med en ikke-lokal ude af tid-ordens korrelationsfunktion" Phys. Rev. Res. 2, 013200 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.013200
[27] Jake Iles-Smith, Neill Lambert og Ahsan Nazir, "Miljødynamik, korrelationer og fremkomsten af ikke-kanoniske ligevægtstilstande i åbne kvantesystemer" Phys. Rev. A 90, 032114 (2014).
https:///doi.org/10.1103/physreva.90.032114
[28] Jake Iles-Smith, Arend G. Dijkstra, Neill Lambert og Ahsan Nazir, "Energy transfer in structured and unstructured environments: Master equations beyond the Born-Markov approksimations" J. Chem. Phys. 144, 044110 (2016).
https:///doi.org/10.1063/1.4940218
[29] Neill Lambert, Shahnawaz Ahmed, Mauro Cirio og Franco Nori, "Modellering af den ultrastærkt koblede spin-boson-model med ufysiske tilstande" Nat. Commun. 10, 3721 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41467-019-11656-1
[30] Lili Zhu, Hao Liu, Weiwei Xie og Qiang Shi, "Eksplicit system-bad-korrelation beregnet ved hjælp af den hierarkiske bevægelsesligningsmetode" J. Chem. Phys. 137, 194106 (2012).
https:///doi.org/10.1063/1.4766358
[31] Linze Songand Qiang Shi "Hierarkiske bevægelsesligninger-metoden anvendt til ikke-ligevægtsvarmetransport i modelmolekylære kryds: Transient varmestrøm og højordensmomenter af den nuværende operatør" Fysisk. Rev. B 95, 064308 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.95.064308
[32] C Schinabeck, R Härtle og M Thoss, "Hierarkisk kvantemesterligningstilgang til elektronisk-vibrationskobling i ikke-ligevægtstransport gennem nanosystemer: Reservoirformulering og anvendelse på vibrationelle ustabiliteter" Fysisk. Rev. B 97, 235429 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.97.235429
[33] Maria Popovic, Mark T. Mitchison, Aidan Strathearn, Brendon W. Lovett, John Goold og Paul R. Eastham, "Quantum Heat Statistics with Time-Evolving Matrix Product Operators" PRX Quantum 2, 020338 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.020338
[34] Massimiliano Esposito, Upendra Harbola og Shaul Mukamel, "Uligevægtsfluktuationer, fluktuationssætninger og tællestatistikker i kvantesystemer" Rev. Mod. Phys. 81, 1665 (2009).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665
[35] Michael Kilgour, Bijay Kumar Agarwalla og Dvira Segal, "Sti-integral metodik og simuleringer af kvantetermisk transport: Fuld tællingsstatistiktilgang" J. Chem. Phys. 150, 084111 (2019).
https:///doi.org/10.1063/1.5084949
[36] Javier Prior, Alex W. Chin, Susana F. Huelga og Martin B. Plenio, "Efficient Simulation of Strong System-Environment Interactions" Phys. Rev. Lett. 105, 050404 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.050404
[37] Dario Tamascelli "Excitationsdynamik i kædekortlagte miljøer" Entropy 22, 1320 (2020).
https:///doi.org/10.3390/e22111320
[38] Florian AYN Schröderand Alex W Chin "Simulering af åben kvantedynamik med tidsafhængige variationsmatrixprodukttilstande: Mod mikroskopisk korrelation af miljødynamik og reduceret systemudvikling" Fysisk. Rev. B 93, 075105 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.93.075105
[39] C Gonzalez-Ballestero, Florian AYN Schröder og Alex W Chin, "Afdækning af ikke-perturbativ dynamik i den forudindtaget sub-ohmiske spin-boson-model med variationsmæssige matrix-produkttilstande" Fysisk. Rev. B 96, 115427 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.96.115427
[40] A. Strathearn, P. Kirton, D. Kilda, J. Keeling og BW Lovett, "Effektiv ikke-Markovsk kvantedynamik ved hjælp af tidsudviklende matrixproduktoperatører" Nat. Commun. 9, 3322 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-05617-3
[41] Yiu-Fung Chiu, Aidan Strathearn og Jonathan Keeling, "Numerisk evaluering og robusthed af den kvantemiddelkraft Gibbs tilstand" (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.106.012204
[42] Mathias R. Jørgensenand Felix A. Pollock "Exploiting the Causal Tensor Network Structure of Quantum Processes to Efficient Simulate Non-Markovian Path Integrals" Phys. Rev. Lett. 123, 240602 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.240602
[43] Gerald E. Fux, Eoin P. Butler, Paul R. Eastham, Brendon W. Lovett og Jonathan Keeling, "Efficient Exploration of Hamiltonian Parameter Space for Optimal Control of Non-Markovian Open Quantum Systems" Phys. Rev. Lett. 126, 200401 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.200401
[44] Dominic Gribben, Aidan Strathearn, Jake Iles-Smith, Dainius Kilda, Ahsan Nazir, Brendon W Lovett og Peter Kirton, "Exact quantum dynamics in structured environments" Phys. Rev. Res. 2, 013265 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.013265
[45] Felix A. Pollock, César Rodríguez-Rosario, Thomas Frauenheim, Mauro Paternostro og Kavan Modi, "Ikke-markoviske kvanteprocesser: Fuldstændig ramme og effektiv karakterisering" Fysisk. Rev. A 97, 012127 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.97.012127
[46] AJ Leggett, S. Chakravarty, AT Dorsey, Matthew PA Fisher, Anupam Garg og W. Zwerger, "Dynamics of the dissipative two-state system" Rev. Mod. Phys. 59, 1-85 (1987).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.59.1
[47] Shaul Mukamel "Principles for ikke-lineær optisk spektroskopi" Oxford University Press, New York (1995).
[48] RP Feynmanand FL Vernon "Teorien om et generelt kvantesystem, der interagerer med et lineært dissipativt system" Ann. Phys. 24, 118-173 (1963).
https://doi.org/10.1016/0003-4916(63)90068-X
https:///www.sciencedirect.com/science/article/pii/000349166390068X
[49] Mihail Silaev, Tero T. Heikkilä og Pauli Virtanen, "Lindblad-ligningstilgang til fuld optælling af statistikker over arbejde og varme i drevne kvantesystemer" Phys. Rev. E 90, 022103 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.90.022103
[50] TEMPO-samarbejdet "OQuPy: A Python 3-pakke til effektivt at beregne ikke-Markovianske åbne kvantesystemer" (2022).
https:///doi.org/10.5281/zenodo.4428316
https:///oqupy.readthedocs.io
[51] Nancy Makriand Dmitrii E. Makarov "Tensorpropagator til iterativ kvantetidsudvikling af matricer med reduceret tæthed. I. Teori” J. Chem. Phys. 102, 4600-4610 (1995).
https:///doi.org/10.1063/1.469508
[52] Aidan Strathearn "Modellering af ikke-markoviske kvantesystemer ved hjælp af tensornetværk" Springer Nature (2020).
https://doi.org/10.1007/978-3-030-54975-6
[53] Román Orús "En praktisk introduktion til tensornetværk: Matrix-produkttilstande og projekterede sammenfiltrede partilstande" Ann. Phys. 349, 117-158 (2014).
https:///doi.org/10.1016/j.aop.2014.06.013
[54] Ulrich Schollwöck "Tæthed-matrix-renormaliseringsgruppen i matrixproduktets alder" Ann. Phys. 326, 96-192 (2011).
https:///doi.org/10.1016/j.aop.2010.09.012
[55] Nancy Makriand Dmitrii E. Makarov "Tensorpropagator til iterativ kvantetidsudvikling af matricer med reduceret tæthed. II. Numerisk metodik” J. Chem. Phys. 102, 4611-4618 (1995).
https:///doi.org/10.1063/1.469509
[56] M. Cygorek, M. Cosacchi, A. Vagov, VM Axt, BW Lovett, J. Keeling og EM Gauger, "Numerisk nøjagtige simuleringer af vilkårlige åbne kvantesystemer ved hjælp af automatiseret komprimering af miljøer" (2021).
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01544-9
[57] Ulrich Weiss "Quantum dissipative systems" World scientific (2012).
[58] Ahsan Nazirand Dara PS McCutcheon "Modellering af exciton-fonon-interaktioner i optisk drevne kvanteprikker" J. Phys.: Condens. Sag 28, 103002 (2016).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/10/103002
[59] S. Rackovsky og R. Silbey "Elektronisk energioverførsel i urene faste stoffer: I. To molekyler indlejret i et gitter" Mol. Phys. 25, 61-72 (1973).
https:///doi.org/10.1080/00268977300100081
[60] Huaixiu Zhengand Harold U. Baranger "Persistent Quantum Beats and Long-Distance Entanglement from Waveguide-Mediated Interactions" Phys. Rev. Lett. 110, 113601 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.113601
[61] I. Yeo, PL. de Assis, A. Gloppe, E. Dupont-Ferrier, P. Verlot, NS Malik, E. Dupuy, J. Claudon, JM. Gérard, A. Auffèves, G. Nogues, S. Seidelin, J-Ph. Poizat, O. Arcizet og M. Richard, "Strain-mediated coupling in a quantum dot-mechanical oscillator hybrid system" Nat. Nanoteknologi. 9, 106 EP-(2013).
https:///doi.org/10.1038/nnano.2013.274
[62] Emil Rozbickiand Paweł Machnikowski "Quantum Kinetic Theory of Phonon-Assisted Excitation Transfer in Quantum Dot Molecules" Phys. Rev. Lett. 100, 027401 (2008).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.027401
[63] Gerald E. Fux, Dainius Kilda, Brendon W. Lovett og Jonathan Keeling, "Thermalization of a spin chain strongly coupled to its environment" (2022).
arXiv: 2201.05529
[64] Dominic Gribben, Dominic M. Rouse, Jake Iles-Smith, Aidan Strathearn, Henry Maguire, Peter Kirton, Ahsan Nazir, Erik M. Gauger og Brendon W. Lovett, "Exact Dynamics of Nonadditive Environments in Non-Markovian Open Quantum Systems" PRX Quantum 3, 010321 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010321
[65] Bogna Bylicka, D Chruściński og Sci Maniscalco, "Ikke-Markovianitet og reservoirhukommelse af kvantekanaler: et kvanteinformationsteoriperspektiv" Sci. Rep. 4, 5720 (2014).
https:///doi.org/10.1038/srep05720
[66] Guo-Yong Xiang, Zhi-Bo Hou, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo, Heinz-Peter Breuer, Elsi-Mari Laine og Jyrki Piilo, "Entanglement distribution in optical fiber assisted by nonlocal memory effects" EPL 107, 54006 (2014).
https://doi.org/10.1209/0295-5075/107/54006
[67] Daniel M Reich, Nadav Katz og Christiane P Koch, "Exploiting non-Markovianity for quantum control" Sci. Rep. 5, 12430 (2015).
https:///doi.org/10.1038/srep12430
Citeret af
[1] Dominic Gribben, Dominic M. Rouse, Jake Iles-Smith, Aidan Strathearn, Henry Maguire, Peter Kirton, Ahsan Nazir, Erik M. Gauger og Brendon W. Lovett, “Exact Dynamics of Nonadditive Environments in Non-Markovian Open Quantum Systems", PRX Quantum 3 1, 010321 (2022).
[2] Dragomir Davidovic, "Systematic Gorini, Kossakowski, Sudarshan og Lindblad Equation for Open Quantum Systems", arXiv: 2112.07863.
[3] Yiu-Fung Chiu, Aidan Strathearn og Jonathan Keeling, "Numerisk evaluering og robusthed af Gibbs-statens kvantemiddelkraft", Fysisk anmeldelse A 106 1, 012204 (2022).
[4] Piper Fowler-Wright, Brendon W. Lovett og Jonathan Keeling, "Effektiv mange-legeme ikke-markovsk dynamik af organiske polaritoner", arXiv: 2112.09003.
[5] Ruofan Chen, "Varmestrøm i ikke-markoviske åbne systemer", arXiv: 2207.00864.
Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2022-10-25 13:42:51). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.
Kunne ikke hente Crossref citeret af data under sidste forsøg 2022-10-25 13:42:49: Kunne ikke hente citerede data for 10.22331/q-2022-10-25-847 fra Crossref. Dette er normalt, hvis DOI blev registreret for nylig.
Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.
