1SUPA, Escola de Física e Astronomia, Universidade de St Andrews, St Andrews KY16 9SS, Reino Unido
2Escola de Matemática e Física, Universidade de Queensland, Santa Lúcia, Queensland 4072, Austrália
3Departamento de Física e SUPA, Universidade de Strathclyde, Glasgow G4 0NG, Reino Unido
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Sumário
Traçar os graus de liberdade ambientais é um procedimento necessário na simulação de sistemas quânticos abertos. Embora seja um passo essencial na obtenção de uma equação mestra tratável, representa uma perda de informação. Em situações onde existe uma forte interação entre o sistema e os graus de liberdade ambientais, esta perda torna a compreensão da dinâmica um desafio. Essas dinâmicas, quando vistas isoladamente, não têm descrição temporal-local: são não-Markovianas e os efeitos de memória induzem características complexas que são difíceis de interpretar. Para resolver este problema, mostramos aqui como usar correlações de sistema, calculadas por qualquer método, para inferir qualquer função de correlação de um ambiente gaussiano, desde que o acoplamento entre sistema e ambiente seja linear. Isto não só permite a reconstrução da dinâmica completa do sistema e do ambiente, mas também abre caminhos para o estudo do efeito de um sistema no seu ambiente. Para obter uma dinâmica de banho precisa, exploramos uma abordagem numericamente exata para simular a dinâmica do sistema, que se baseia na construção e contração de uma rede tensorial que representa o tensor de processo deste sistema quântico aberto. Usando isso, podemos encontrar com exatidão qualquer função de correlação do sistema. Para demonstrar a aplicabilidade do nosso método, mostramos como o calor se move entre os diferentes modos de um banho bosônico quando acoplado a um sistema de dois níveis que está sujeito a um acionamento fora de ressonância.
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► Referências
[1] HP Breuerand F. Petruccione “A Teoria dos Sistemas Quânticos Abertos” Oxford University Press (2002).
[2] AW Chin, J. Prior, R. Rosenbach, F. Caycedo-Soler, SF Huelga e MB Plenio, “O papel das estruturas vibracionais de não equilíbrio na coerência eletrônica e recoerência em complexos pigmento-proteína” Nat. Física. 9, 113–118 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2515
[3] M. Thorwart, J. Eckel, J.H. Reina, P. Nalbach e S. Weiss, “Emaranhamento quântico aprimorado na dinâmica não-Markoviana de excitons biomoleculares” Chem. Física. Vamos. 478, 234–237 (2009).
https:///doi.org/10.1016/j.cplett.2009.07.053
[4] M. Mohseni, A. Shabani, S. Lloyd e H. Rabitz, “Convergência de escalas de energia para transporte quântico ideal e robusto em complexos fotossintéticos” J. Chem. Física. 140, 035102 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4856795
[5] Marco del Rey, Alex W. Chin, Susana F. Huelga e Martin B. Plenio, “Explorando Ambientes Estruturados para Transferência Eficiente de Energia: O Mecanismo da Antena Fônon” J. Phys. Química. Vamos. 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 e Christian F. Roos, “Transporte quântico assistido pelo ambiente em uma rede de 10 qubits” Phys. Rev. 122, 050501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.050501
[7] Dvira Segaland Bijay Kumar Agarwalla “Transporte vibracional de calor em junções moleculares” Ann. Rev. Química. 67, 185–209 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-physchem-040215-112103
[8] S. Gröblacher, A. Trubarov, N. Prigge, G. D. Cole, M. Aspelmeyer e J. Eisert, “Observação do movimento browniano micromecânico não-Markoviano” Nat. Comum. 6, 7606 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms8606
[9] Anton Potočnik, Arno Bargerbos, Florian A. Y. N. Schröder, Saeed A. Khan, Michele C. Collodo, Simone Gasparinetti, Yves Salathé, Celestino Creatore, Christopher Eichler, Hakan E. Türeci, Alex W. Chin e Andreas Wallraff, “Estudando a luz- modelos de colheita com circuitos supercondutores” Nat. Comum. 9, 904 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-018-03312-x
[10] Heng-Na Xiong, Yi Li, Yixiao Huang e Zichun Le, “Cristal Fotônico com Estrutura de Matriz de Cavidades Infinitas” Quant. Inf. & Comp. 18, 267–284 (2018).
https: / / doi.org/ 10.26421 / QIC18.3-4-6
[11] Inés de Vega e Daniel Alonso “Dinâmica de sistemas quânticos abertos não-Markovianos” Rev. Mod. Física. 89, 015001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / revmodphys.89.015001
[12] HP Breuer, EM Laine, J. Piilo e B. Vacchini, “Colóquio: Dinâmica não Markoviana em sistemas quânticos abertos” Rev. Física. 88, 021002 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.88.021002
[13] Mark T Mitchison “Máquinas de absorção térmica quântica: refrigeradores, motores e relógios” Contemp. Física. 60, 164–187 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2019.1631555
[14] F. Binder, LA Correa, C. Gogolin, J. Anders e G. Adesso, “Termodinâmica no Regime Quântico” 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 e J. Goold, “Método de rede tensor para simular máquinas térmicas quânticas de forte interação” Phys. Rev. X 10, 031040 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.031040
[16] Philipp Strasberg, Gernot Schaller, Neill Lambert e Tobias Brandes, “Termodinâmica de não equilíbrio no acoplamento forte e regime não Markoviano baseado em um mapeamento de coordenadas de reação” New J. Phys. 18, 073007 (2016).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/7/073007
[17] Gerald D Mahan “Física de muitas partículas” Springer Science & Business Media (2013).
[18] Robert Silbey e Robert A. Harris “Cálculo variacional da dinâmica de um sistema de dois níveis interagindo com um banho” J. Chem. Física. 80, 2615–2617 (1984).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.447055
[19] R. A. Harris e R. Silbey “Cálculo variacional do sistema de tunelamento interagindo com um banho térmico. II. Dinâmica de um sistema de tunelamento assimétrico” J. Chem. Física. 83, 1069–1074 (1985).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.449469
[20] Jozef T Devreese e Alexandre S Alexandrov “Fröhlich polaron e bipolaron: desenvolvimentos recentes” Rep. Prog. Física. 72, 066501 (2009).
https://doi.org/10.1088/0034-4885/72/6/066501
[21] Alexey Kavokin e Guillaume Malpuech “Polaritons de cavidade” Elsevier (2003).
[22] Peter Kirton e Jonathan Keeling “Estados superradiantes e lasing em modelos Dicke dissipativos acionados” 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 e Benjamin L Lev, “Condensação de polariton de onda de densidade supermodo com um condensado de Bose-Einstein em uma cavidade multimodo” Nat. Comum. 8, 14386 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms14386
[24] Martin Gärttner, Justin G Bohnet, Arghavan Safavi-Naini, Michael L Wall, John J Bollinger e Ana Maria Rey, “Medindo correlações fora da ordem do tempo e múltiplos espectros quânticos em um ímã quântico de íons aprisionados” Nat. Física. 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 e Jiangfeng Du, “Medindo correlacionadores fora da ordem do tempo em um simulador quântico de ressonância magnética nuclear” Phys. Rev. X 7, 031011 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.031011
[26] Mohamad Niknam, Lea F. Santos e David G. Cory, “Sensibilidade da informação quântica às perturbações ambientais medidas com uma função de correlação não local fora da ordem do tempo” Phys. Rev. 2, 013200 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.013200
[27] Jake Iles-Smith, Neill Lambert e Ahsan Nazir, “Dinâmica ambiental, correlações e o surgimento de estados de equilíbrio não canônicos em sistemas quânticos abertos” Phys. Rev. A 90, 032114 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.90.032114
[28] Jake Iles-Smith, Arend G. Dijkstra, Neill Lambert e Ahsan Nazir, “Transferência de energia em ambientes estruturados e não estruturados: Equações mestres além das aproximações de Born-Markov” J. Chem. Física. 144, 044110 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4940218
[29] Neill Lambert, Shahnawaz Ahmed, Mauro Cirio e Franco Nori, “Modelando o modelo spin-bóson ultrafortemente acoplado com modos não físicos” Nat. Comum. 10, 3721 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41467-019-11656-1
[30] Lili Zhu, Hao Liu, Weiwei Xie e Qiang Shi, “Correlação sistema-banho explícita calculada usando o método de equações hierárquicas de movimento” J. Chem. Física. 137, 194106 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4766358
[31] Linze Song e Qiang Shi “Método de equações hierárquicas de movimento aplicadas ao transporte de calor fora de equilíbrio em junções moleculares modelo: corrente de calor transitória e momentos de alta ordem do operador de corrente” Phys. Rev. B 95, 064308 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.95.064308
[32] C Schinabeck, R Härtle e M Thoss, “Abordagem de equação mestre quântica hierárquica para acoplamento eletrônico-vibracional em transporte fora de equilíbrio através de nanossistemas: Formulação de reservatórios e aplicação a instabilidades vibracionais” Phys. 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 e Paul R. Eastham, “Estatísticas de calor quântico com operadores de produtos de matriz em evolução do tempo” PRX Quantum 2, 020338 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020338
[34] Massimiliano Esposito, Upendra Harbola e Shaul Mukamel, “Flutuações de não-equilíbrio, teoremas de flutuação e estatísticas de contagem em sistemas quânticos” Rev. Física. 81, 1665 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665
[35] Michael Kilgour, Bijay Kumar Agarwalla e Dvira Segal, “Metodologia integral de caminho e simulações de transporte térmico quântico: abordagem estatística de contagem completa” J. Chem. Física. 150, 084111 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5084949
[36] Javier Prior, Alex W. Chin, Susana F. Huelga e Martin B. Plenio, “Simulação Eficiente de Fortes Interações Sistema-Ambiente” Phys. Rev. 105, 050404 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.050404
[37] Dario Tamascelli “Dinâmica de excitação em ambientes mapeados em cadeia” Entropy 22, 1320 (2020).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e22111320
[38] Florian AYN Schröderand Alex W Chin “Simulando dinâmica quântica aberta com estados de produtos de matriz variacional dependentes do tempo: Rumo à correlação microscópica da dinâmica do ambiente e evolução reduzida do sistema” Phys. Rev. B 93, 075105 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.93.075105
[39] C Gonzalez-Ballestero, Florian AYN Schröder e Alex W Chin, “Descobrindo a dinâmica não perturbativa do modelo spin-bóson sub-Ohmico tendencioso com estados de produto de matriz variacional” Phys. Rev. B 96, 115427 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.96.115427
[40] A. Strathearn, P. Kirton, D. Kilda, J. Keeling e BW Lovett, “Dinâmica quântica não-Markoviana eficiente usando operadores de produto de matriz em evolução no tempo” Nat. Comum. 9, 3322 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-05617-3
[41] Yiu-Fung Chiu, Aidan Strathearn e Jonathan Keeling, “Avaliação numérica e robustez da força média quântica do estado de Gibbs” (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.012204
[42] Mathias R. Jørgensen e Felix A. Pollock “Explorando a estrutura da rede tensorial causal de processos quânticos para simular com eficiência integrais de caminho não markovianos” Phys. Rev. 123, 240602 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.240602
[43] Gerald E. Fux, Eoin P. Butler, Paul R. Eastham, Brendon W. Lovett e Jonathan Keeling, “Exploração eficiente do espaço de parâmetros hamiltonianos para controle ideal de sistemas quânticos abertos não markovianos” Phys. Rev. 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 e Peter Kirton, “Dinâmica quântica exata em ambientes estruturados” Phys. Rev. 2, 013265 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.013265
[45] Felix A. Pollock, César Rodríguez-Rosario, Thomas Frauenheim, Mauro Paternostro e Kavan Modi, “Processos quânticos não markovianos: estrutura completa e caracterização eficiente” Phys. Rev.A 97, 012127 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.012127
[46] AJ Leggett, S. Chakravarty, A. T. Dorsey, Matthew PA Fisher, Anupam Garg e W. Zwerger, “Dinâmica do sistema dissipativo de dois estados” Rev. Física. 59, 1–85 (1987).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.59.1
[47] Shaul Mukamel “Princípios de espectroscopia óptica não linear” Oxford University Press, Nova York (1995).
[48] R.P Feynmanand F.L Vernon “A teoria de um sistema quântico geral interagindo com um sistema dissipativo linear” Ann. Física. 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 e Pauli Virtanen, “Abordagem da equação de Lindblad para estatísticas de contagem completa de trabalho e calor em sistemas quânticos acionados” Phys. Rev. E 90, 022103 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.90.022103
[50] A colaboração TEMPO “OQuPy: Um pacote Python 3 para calcular eficientemente sistemas quânticos abertos não-Markovianos” (2022).
https: / / doi.org/ 10.5281 / zenodo.4428316
https://oqupy.readthedocs.io
[51] Nancy Makriand Dmitrii E. Makarov “Propagador de tensor para evolução iterativa em tempo quântico de matrizes de densidade reduzida. I. Teoria” J. Chem. Física. 102, 4600–4610 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.469508
[52] Aidan Strathearn “Modelando Sistemas Quânticos Não Markovianos Usando Redes Tensoriais” Springer Nature (2020).
https://doi.org/10.1007/978-3-030-54975-6
[53] Román Orús “Uma introdução prática às redes tensores: estados de produtos matriciais e estados de pares emaranhados projetados” Ann. Física. 349, 117–158 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2014.06.013
[54] Ulrich Schollwöck “O grupo de renormalização da matriz de densidade na era dos estados de produtos de matriz” Ann. Física. 326, 96–192 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2010.09.012
[55] Nancy Makriand Dmitrii E. Makarov “Propagador de tensor para evolução iterativa em tempo quântico de matrizes de densidade reduzida. II. Metodologia numérica” J. Chem. Física. 102, 4611–4618 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.469509
[56] M. Cygorek, M. Cosacchi, A. Vagov, VM Axt, BW Lovett, J. Keeling e EM Gauger, “Simulações numericamente exatas de sistemas quânticos abertos arbitrários usando compressão automatizada de ambientes” (2021).
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01544-9
[57] Ulrich Weiss “Sistemas dissipativos quânticos” Científico mundial (2012).
[58] Ahsan Nazirand Dara PS McCutcheon “Modelagem de interações exciton-fônon em pontos quânticos acionados opticamente” J. Phys.: Condens. Matéria 28, 103002 (2016).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/10/103002
[59] S. Rackovsky e R. Silbey “Transferência eletrônica de energia em sólidos impuros: I. Duas moléculas incorporadas em uma rede” Mol. Física. 25, 61–72 (1973).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00268977300100081
[60] Huaixiu Zheng e Harold U. Baranger “Batidas quânticas persistentes e emaranhamento de longa distância a partir de interações mediadas por guias de ondas” Phys. Rev. 110, 113601 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.113601
[61] I. Sim, 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 e M. Richard, “Acoplamento mediado por tensão em um sistema híbrido de oscilador mecânico de ponto quântico” Nat. Nanotecnologia. 9, 106 EP – (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nnano.2013.274
[62] Emil Rozbickiand Paweł Machnikowski “Teoria Cinética Quântica da Transferência de Excitação Assistida por Fônons em Moléculas de Pontos Quânticos” Phys. Rev. 100, 027401 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.027401
[63] Gerald E. Fux, Dainius Kilda, Brendon W. Lovett e Jonathan Keeling, “Termalização de uma cadeia de spin fortemente acoplada ao seu ambiente” (2022).
arXiv: 2201.05529
[64] Dominic Gribben, Dominic M. Rouse, Jake Iles-Smith, Aidan Strathearn, Henry Maguire, Peter Kirton, Ahsan Nazir, Erik M. Gauger e Brendon W. Lovett, “Dinâmica exata de ambientes não aditivos em sistemas quânticos abertos não markovianos” PRX Quantum 3, 010321 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010321
[65] Bogna Bylicka, D Chruściński e Sci Maniscalco, “Não-Markovianidade e memória de reservatório de canais quânticos: uma perspectiva da teoria da informação quântica” 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 e Jyrki Piilo, “Distribuição de emaranhamento em fibras ópticas assistida por efeitos de memória não locais” EPL 107, 54006 (2014).
https://doi.org/10.1209/0295-5075/107/54006
[67] Daniel M Reich, Nadav Katz e Christiane P Koch, “Explorando a não-Markovianidade para controle quântico” Sci. Rep. 5, 12430 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep12430
Citado por
[1] Dominic Gribben, Dominic M. Rouse, Jake Iles-Smith, Aidan Strathearn, Henry Maguire, Peter Kirton, Ahsan Nazir, Erik M. Gauger e Brendon W. Lovett, “Dinâmica exata de ambientes não aditivos em ambiente aberto não markoviano Sistemas Quânticos”, PRX Quantum 3 1, 010321 (2022).
[2] Dragomir Davidovic, “Equação Sistemática de Gorini, Kossakowski, Sudarshan e Lindblad para Sistemas Quânticos Abertos”, arXiv: 2112.07863.
[3] Yiu-Fung Chiu, Aidan Strathearn e Jonathan Keeling, “Avaliação numérica e robustez do estado de Gibbs de força média quântica”, Revisão Física A 106 1, 012204 (2022).
[4] Piper Fowler-Wright, Brendon W. Lovett e Jonathan Keeling, “Dinâmica não-Markoviana eficiente de muitos corpos de polaritons orgânicos”, arXiv: 2112.09003.
[5] Ruofan Chen, “Corrente de calor em sistemas abertos não-Markovianos”, arXiv: 2207.00864.
As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2022-10-25 13:42:51). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.
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