Transizioni di fase dissipative in risonatori non lineari quantistici guidati da fotoni $ n $

Transizioni di fase dissipative in risonatori non lineari quantistici guidati da fotoni $ n $

Timestamp: 7 novembre 2023 7:20 AM

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

1Istituto di Fisica, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Losanna, Svizzera
2Centro di scienza e ingegneria quantistica, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Losanna, Svizzera
3Pitaevskii BEC Center, CNR-INO e Dipartimento di Fisica, Università di Trento, I-38123 Trento, Italia

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Astratto

Investighiamo e caratterizziamo l'emergere di transizioni di fase dissipative a componenti finiti (DPT) in risonatori fotonici non lineari soggetti a guida e dissipazione di fotoni $ n $. Sfruttando un approccio semiclassico, ricaviamo risultati generali sulla presenza di DPT del secondo ordine in questa classe di sistemi. Mostriamo che per tutti i $n$ dispari non può verificarsi alcun DPT di secondo ordine mentre, per $n$ pari, la competizione tra nonlinearità di ordine superiore determina la natura della criticità e consente l'emergere di DPT di secondo ordine solo per $ n=2$ e $n=4$. Come esempi chiave, studiamo la dinamica quantistica completa dei risonatori Kerr dissipativi guidati da tre e quattro fotoni, confermando la previsione dell'analisi semiclassica sulla natura delle transizioni. Vengono inoltre discussi la stabilità del vuoto e i tempi tipici necessari per accedere alle diverse fasi. Mostriamo anche un DPT del primo ordine in cui emergono più soluzioni attorno a numeri di fotoni zero, bassi e alti. I nostri risultati evidenziano il ruolo cruciale svolto dalle simmetrie $forte$ e $debole$ nell'innescare comportamenti critici, fornendo un quadro liouvilliano per studiare gli effetti dei processi non lineari di ordine elevato in sistemi dissipativi guidati, che possono essere applicati a problemi di rilevamento quantistico ed elaborazione delle informazioni.

Transizioni di fase dissipative in risonatori non lineari quantistici guidati da $ n$ fotoni PlatoBlockchain Data Intelligence. Ricerca verticale. Ai.

Immagine in primo piano: uno schizzo del risonatore Kerr dissipativo guidato da fotoni $n$ (a sinistra). A seconda della parità di $n$ e della simmetria sottostante del sistema, può avvenire una transizione di fase dissipativa del primo o del secondo ordine, come mostrato negli schemi a destra. Nel caso di una transizione del primo ordine, il vuoto rimane metastabile per valori arbitrari dell'ampiezza del drive.

Riepilogo popolare

Le transizioni di fase sono onnipresenti in natura. Possono essere innescati da fluttuazioni termiche in competizione con la minimizzazione dell’energia, portando a bruschi cambiamenti nelle proprietà termodinamiche del sistema. Nei sistemi quantistici, le transizioni di fase possono verificarsi anche a temperatura zero, dove sono caratterizzate da un brusco cambiamento dello stato fondamentale del sistema al variare di un parametro. Questo concetto è vero anche quando un sistema quantistico viene allontanato dall’equilibrio termico e interagisce con il suo ambiente. Ciò che rende distintive queste transizioni di fase dissipative è che molteplici fattori competono per determinare la fase del sistema: campi guida, dissipazione e interazioni. In questo contesto, persistono numerose domande essenziali, tra cui come e se si possono osservare transizioni di fase dissipative e il ruolo dei campi guida e della dissipazione nel determinare le loro caratteristiche. Nel nostro lavoro studiamo la fisica dei risonatori quantistici non lineari e dissipativi guidati, un modello paradigmatico in questo campo. Motivati ​​dai recenti progressi tecnologici nell'ingegneria e nel controllo di questa classe di sistemi, consideriamo meccanismi di pilotaggio e dissipazione che iniettano e dissipano uno specifico numero $n$ di fotoni. Deriviamo le condizioni generali da cui emergono le transizioni di fase dissipative e descriviamo le loro caratteristiche principali attraverso un'analisi quantistica completa. Mostriamo come il tipo di pilotaggio e dissipazione, e in particolare il numero di fotoni $n$, determinano la natura della transizione ed evidenziamo il ruolo che le simmetrie sottostanti del sistema giocano nel determinare le sue proprietà critiche. I nostri risultati sono importanti sia per il progresso della conoscenza fondamentale che per lo sviluppo di tecnologie di informazione quantistica che si basano su risonatori quantistici non lineari.

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Citato da

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[4] Dragan Marković e Mihailo Čubrović, “Caos e trasporto anomalo in una catena semiclassica Bose-Hubbard”, arXiv: 2308.14720, (2023).

[5] Guillaume Beaulieu, Fabrizio Minganti, Simone Frasca, Vincenzo Savona, Simone Felicetti, Roberto Di Candia e Pasquale Scarlino, “Observation of first-and-second-order dissipative Phase Transition in a two-photon Driven Kerr risonator”, arXiv: 2310.13636, (2023).

Le citazioni sopra sono di ANNUNCI SAO / NASA (ultimo aggiornamento riuscito 2023-11-12 00:43:45). L'elenco potrebbe essere incompleto poiché non tutti gli editori forniscono dati di citazione adeguati e completi.

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