Dissipative Phasenübergänge in $n$-Photonen-getriebenen nichtlinearen Quantenresonatoren

Dissipative Phasenübergänge in $n$-Photonen-getriebenen nichtlinearen Quantenresonatoren

Zeitstempel: 7. November 2023, 7:20 Uhr

Fabrizio Minganti1,2, Vincenzo Savona1,2, und Alberto Biella3

1Institut für Physik, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Schweiz
2Zentrum für Quantenwissenschaft und -technik, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Schweiz
3Pitaevskii BEC Center, CNR-INO und Dipartimento di Fisica, Università di Trento, I-38123 Trento, Italien

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Abstrakt

Wir untersuchen und charakterisieren die Entstehung von dissipativen Phasenübergängen (DPTs) mit endlichen Komponenten in nichtlinearen Photonenresonatoren, die der Ansteuerung und Dissipation von $n$-Photonen unterliegen. Mithilfe eines semiklassischen Ansatzes leiten wir allgemeine Ergebnisse zum Auftreten von DPTs zweiter Ordnung in dieser Systemklasse ab. Wir zeigen, dass für alle ungeraden $n$ kein DPT zweiter Ordnung auftreten kann, während für gerade $n$ die Konkurrenz zwischen Nichtlinearitäten höherer Ordnung die Art der Kritikalität bestimmt und die Entstehung von DPTs zweiter Ordnung nur für $ zulässt n=2$ und $n=4$. Als zentrale Beispiele untersuchen wir die vollständige Quantendynamik von Drei- und Vier-Photonen-dissipativen Kerr-Resonatoren und bestätigen damit die Vorhersage der semiklassischen Analyse zur Art der Übergänge. Die Stabilität des Vakuums und die typischen Zeitskalen, die für den Zugriff auf die verschiedenen Phasen erforderlich sind, werden ebenfalls diskutiert. Wir zeigen auch eine DPT erster Ordnung, bei der mehrere Lösungen um Null, niedrige und hohe Photonenzahlen herum entstehen. Unsere Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Rolle, die $starke$ und $schwache$-Symmetrien bei der Auslösung kritischer Verhaltensweisen spielen, und bieten einen Liouvillian-Rahmen zur Untersuchung der Auswirkungen nichtlinearer Prozesse höherer Ordnung in getrieben-dissipativen Systemen, der auf Probleme in der Quantensensorik angewendet werden kann und Informationsverarbeitung.

Dissipative Phasenübergänge in $n$-Photonen-gesteuerten nichtlinearen Quantenresonatoren PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Ausgewähltes Bild: Eine Skizze des $n$-Photonen-getriebenen dissipativen Kerr-Resonators (links). Abhängig von der Parität von $n$ und der zugrunde liegenden Symmetrie des Systems kann entweder ein dissipativer Phasenübergang erster oder zweiter Ordnung stattfinden, wie in den Diagrammen rechts dargestellt. Im Falle eines Übergangs erster Ordnung bleibt das Vakuum für beliebige Werte der Antriebsamplitude metastabil.

Populäre Zusammenfassung

Phasenübergänge kommen in der Natur allgegenwärtig vor. Sie können durch thermische Schwankungen ausgelöst werden, die mit der Energieminimierung konkurrieren und zu abrupten Änderungen der thermodynamischen Eigenschaften des Systems führen. In Quantensystemen können Phasenübergänge sogar bei Nulltemperaturen auftreten, wobei sie durch eine abrupte Änderung des Grundzustands des Systems bei Variation eines Parameters gekennzeichnet sind. Dieses Konzept gilt auch dann, wenn ein Quantensystem aus dem thermischen Gleichgewicht gerät und mit seiner Umgebung interagiert. Das Besondere an diesen dissipativen Phasenübergängen ist, dass mehrere Faktoren miteinander konkurrieren, um die Phase des Systems zu bestimmen: Antriebsfelder, Dissipation und Wechselwirkungen. In diesem Zusammenhang bleiben zahlreiche wesentliche Fragen offen, darunter, wie und ob dissipative Phasenübergänge beobachtet werden können und welche Rolle treibende Felder und Dissipation bei der Bestimmung ihrer Merkmale spielen. In unserer Arbeit untersuchen wir die Physik nichtlinearer, angetrieben-dissipativer Quantenresonatoren – ein paradigmatisches Modell auf diesem Gebiet. Motiviert durch die jüngsten technologischen Fortschritte in der Technik und Steuerung dieser Systemklasse, betrachten wir Antriebs- und Dissipationsmechanismen, die eine bestimmte Anzahl $n$ von Photonen injizieren und zerstreuen. Wir leiten die allgemeinen Bedingungen ab, unter denen dissipative Phasenübergänge entstehen, und beschreiben ihre Hauptmerkmale durch eine vollständige Quantenanalyse. Wir zeigen, wie die Art des Antriebs und der Dissipation und insbesondere die Anzahl der Photonen $n$ die Art des Übergangs bestimmen und heben die Rolle hervor, die die zugrunde liegenden Symmetrien des Systems bei der Bestimmung seiner kritischen Eigenschaften spielen. Unsere Erkenntnisse sind sowohl für die Weiterentwicklung des Grundlagenwissens als auch für die Entwicklung von Quanteninformationstechnologien, die auf nichtlinearen Quantenresonatoren basieren, von Bedeutung.

► BibTeX-Daten

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