非マルコフ散逸から量子ナノデバイスの時空間制御まで

非マルコフ散逸から量子ナノデバイスの時空間制御まで

タイムスタンプ：3年2024月11日午前35時XNUMX分

ティボー・ラクロワ1,2,3、ブレンドン・W・ラヴェット2、アレックス・W・チン3

1Institut für Theoretische Physik und IQST、Albert-Einstein-Allee 11、Universität Ulm、D-89081 Ulm、ドイツ
2SUPA、物理天文学部、セント アンドリュース大学、セント アンドリュース KY16 9SS、英国
3ソルボンヌ大学、CNRS、パリナノ科学研究所、ジュシュー 4 位、75005 パリ、フランス

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抽象

量子効果を利用するナノデバイスは、将来の量子技術 (QT) の非常に重要な要素ですが、現実世界のパフォーマンスは、局所的な「環境」相互作用から生じるデコヒーレンスによって大きく制限されます。これに加えて、デバイスがより複雑になる、つまり複数の機能ユニットを含むようになると、「ローカル」環境が重なり始め、新たな時間と長さのスケールで環境媒介のデコヒーレンス現象が発生する可能性が生じます。このような複雑で本質的に非マルコフ力学は、QT のスケールアップに課題をもたらす可能性がありますが、その一方で、環境が「信号」とエネルギーを伝達する能力により、示唆されているように、コンポーネント間のプロセスの高度な時空間調整も可能になる可能性があります。酵素や光合成タンパク質などの生物学的ナノマシンで起こります。私たちは、数値的に正確な多体法 (テンソル ネットワーク) を利用して、完全な量子モデルを研究します。これにより、伝播する環境力学が空間的に離れた非相互作用の量子システムの進化をどのように促進し、方向付けることができるかを調査できます。私たちは、環境に散逸したエネルギーを遠隔で収集して過渡的な励起/反応状態を作り出す方法を実証し、また、システムの励起によって引き起こされる再組織化が「機能的」量子システムの「下流」の反応速度をどのように定性的かつ可逆的に変化させることができるかを特定します。完全なシステム環境波動関数にアクセスすることで、これらの現象の根底にある微視的なプロセスを解明し、それらをエネルギー効率の高い量子デバイスにどのように活用できるかについての新たな洞察を提供します。

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注目の画像: (a) 空間的に分散されたシステムは、エネルギーをその環境に散逸したり、局所的な変形を引き起こしたり、通常はバルク媒体中で伝播して失われます (赤い矢印)。システムがナノスケール領域に詰め込まれている場合、システムが非共役であっても (黄色の矢印はコヒーレントな結合を示します)、環境励起のかなりの部分が隣接するシステムに遭遇し、そのダイナミクスに影響を及ぼします (緑色の矢印)。これらの相互作用は遅くなり、信号伝播の速度とシステムの分離に依存し、現在は協調的な散逸ダイナミクスに新しい時間と長さのスケールを提供します。

1D の例:
(b) 光合成反応中心では、色素はタンパク質の足場によって保持されており、この足場は振動と構造の再構成を散逸的に媒介し、励起子（電子 - 正孔対）の分裂、電子の移動、異なる場所（4 ～ 5 nm 離れた位置）での正孔の再充填を調整します。 fsからμsまでのタイムスケールで。
(c) 分子内一重項分裂によって生成されたスピンもつれ三重項対は、ポリジアセチレンの場合と同様、分子主鎖構造の振動波束を通じて強く相互作用します。
(d) 結合していない一対の量子ドット (QD) がナノワイヤ内にカプセル化されています。したがって、そのうちの 1 つを励起すると、ワイヤの機械的モードが励起されます。これらの歪みは伝播し、他の QD と相互作用する可能性があります。

人気の要約

将来の量子技術の主な制限は、量子デバイスのさまざまな動作単位と制御不可能な外部環境 (電磁場、格子振動など) との相互作用から生じるデコヒーレンスです。通常、異なるユニットは、互いに対話しない異なる環境と対話するものとして説明され、これらの環境は局所散逸とデコヒーレンスの原因となります。
しかし、量子デバイスが複雑になればなるほど、それらのさまざまなコンポーネントは緊密になります。その文脈では、個別のローカル環境の仮定は崩れており、機能単位と共通の環境との相互作用を考慮する必要があります。その場合、システムの一部によって消費されるエネルギーは、たとえば、後で別の部分によって吸収される可能性があります。このため、システムのダイナミクスを理解したい場合、その内部ダイナミクスを無視することはできないため、このようなグローバル環境の記述はローカル環境よりも根本的に複雑になります。
テンソル ネットワーク手法を使用してシステムと環境の量子状態を表現し、時間発展させることで、環境内のエネルギー/情報の伝播により新たな時間と長さのスケールで起こっているプロセスを明らかにすることができます。
共通の環境と相互作用する量子システムの考察から得られる物理プロセスの新しい現象学は、新しい制御、センシング、クロストークメカニズムへのアクセスを可能にするため、ナノデバイスの設計に重要な影響を及ぼします。

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