从非马尔可夫耗散到量子纳米器件的时空控制

从非马尔可夫耗散到量子纳米器件的时空控制

时间戳记：3年2024月11日上午35:XNUMX

蒂博·拉克鲁瓦1,2,3, 布伦登·W·洛维特2和 Alex W. Chin3

1理论物理学和 IQST 研究所，Albert-Einstein-Allee 11，乌尔姆大学，D-89081 乌尔姆，德国
2SUPA，圣安德鲁斯大学物理与天文学院，圣安德鲁斯 KY16 9SS，英国
3索邦大学，法国国家科学研究中心，巴黎纳米科学研究所，4 place Jussieu, 75005 Paris, France

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抽象

利用量子效应的纳米器件是未来量子技术（QT）至关重要的元素，但它们在现实世界中的性能受到局部“环境”相互作用产生的退相干的严重限制。更复杂的是，随着设备变得更加复杂，即包含多个功能单元，“局部”环境开始重叠，从而在新的时间和长度尺度上产生环境介导的退相干现象的可能性。这种复杂且本质上非马尔可夫的动态可能对扩大 QT 提出挑战，但另一方面，环境传输“信号”和能量的能力也可能实现组件间过程的复杂时空协调，正如所建议的那样发生在生物纳米机器中，例如酶和光合蛋白质。利用数值精确的多体方法（张量网络），我们研究了一个完全量子模型，该模型使我们能够探索传播环境动力学如何激发和指导空间遥远、非相互作用的量子系统的演化。我们演示了如何远程收集消散到环境中的能量以创建瞬态激发/反应态，并确定系统激发触发的重组如何定性且可逆地改变“功能”量子系统的“下游”动力学。通过获得完整的系统环境波函数，我们阐明了这些现象背后的微观过程，为如何将它们用于节能量子设备提供了新的见解。

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特色图像：（a）空间分布式系统将能量耗散到其环境中和/或引起局部变形，这些变形通常会传播并在体介质中消失（红色箭头）。当系统被封装到纳米级区域时，很大一部分环境激励将遇到邻近的系统并影响它们的动力学（绿色箭头），即使系统是解耦的（黄色箭头表示相干耦合）。这些相互作用被延迟，即取决于信号传播的速度和系统的分离，为它们现在合作的耗散动力学提供新的时间和长度尺度。

一维示例：
(b) 在光合作用反应中心，色素由蛋白质支架固定，该支架可以耗散介导振动和结构重组，以协调不同位置（间隔 4 – 5 nm）的激子（电子空穴对）分裂、电子转移和空穴重新填充时间尺度从 fs 到 μs。
(c) 由分子内单线态裂变产生的自旋纠缠三线态对通过分子主链结构的振动波包强烈相互作用，如聚二乙炔。
(d) 一对未耦合的量子点 (QD) 封装在纳米线中。激发其中之一就会激发导线的机械模式。这些扭曲会传播并可能与其他量子点相互作用。

热门摘要

未来量子技术的主要限制是量子器件的不同工作单元与外部不可控环境（例如电磁场、晶格振动……）相互作用所产生的退相干。通常，不同的单元被描述为与不同的环境相互作用，而彼此之间不相互作用，这些环境负责局部耗散和退相干。
然而，量子设备变得越复杂，它们的不同组件就越接近。在这种情况下，不同局部环境的假设就被打破了，我们需要考虑功能单元与公共环境的相互作用。在这种情况下，系统的一个部分耗散的能量可能稍后被另一部分吸收。这使得对这种全局环境的描述从根本上比局部环境更加复杂，因为如果想要了解系统的动态，就不能忽视它们的内部动态。
使用张量网络方法来表示系统和环境的量子状态并进行时间演化，我们能够发现由于环境内部能量/信息的传播而在新的时间和长度尺度上发生的过程。
物理过程的新现象学是考虑量子系统与公共环境相互作用而产生的，它对纳米器件的设计具有重要影响，因为它提供了新的控制、传感和串扰机制。

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