使用环境来理解非马尔可夫开放量子系统柏拉图区块链数据智能。垂直搜索。人工智能。

使用环境理解非马尔可夫开放量子系统

多米尼克·格里本1, 艾丹·斯特拉森2, 杰拉德·E·福克斯1, 彼得·柯顿3和布伦登·W·洛维特1

1SUPA,物理和天文学学院,圣安德鲁斯大学,圣安德鲁斯 KY16 9SS,英国
2昆士兰大学数学与物理学院, St Lucia, Queensland 4072, Australia
3英国格拉斯哥 G4 0NG 斯特拉斯克莱德大学物理和 SUPA 系

觉得本文有趣或想讨论? 在SciRate上发表评论或发表评论.

抽象

在模拟开放量子系统时,追踪环境自由度是一个必要的过程。 虽然是推导易于处理的主方程的重要步骤,但它代表了信息的丢失。 在系统和环境自由度之间存在强烈相互作用的情况下,这种损失使得理解动力学具有挑战性。 这些动态,当孤立地看待时,没有时间局部描述:它们是非马尔可夫的,记忆效应会导致难以解释的复杂特征。 为了解决这个问题,我们在这里展示了如何使用通过任何方法计算的系统相关性来推断高斯环境的任何相关函数,只要系统与环境之间的耦合是线性的。 这不仅可以重建系统和环境的全部动态,而且还为研究系统对其环境的影响开辟了道路。 为了获得准确的浴动力学,我们利用数值精确的方法来模拟系统动力学,该方法基于张量网络的构造和收缩,该网络表示该开放量子系统的过程张量。 使用它,我们能够准确地找到任何系统相关函数。 为了证明我们方法的适用性,我们展示了当耦合到受到非共振驱动的两级系统时,热量如何在玻色子浴的不同模式之间移动。

►BibTeX数据

►参考

[1] HP Breuerand F. Petruccione “开放量子系统理论”牛津大学出版社(2002 年)。

[2] AW Chin、J. Prior、R. Rosenbach、F. Caycedo-Soler、SF Huelga 和 MB Plenio,“非平衡振动结构在色素-蛋白质复合物电子相干和再相干中的作用”Nat。 物理层。 9, 113–118 (2013)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / nphys2515

[3] M. Thorwart、J. Eckel、JH Reina、P. Nalbach 和 S. Weiss,“生物分子激子的非马尔可夫动力学中增强的量子纠缠”化学。 物理。 莱特。 478, 234–237 (2009)。
https:///​doi.org/​10.1016/​j.cplett.2009.07.053

[4] M. Mohseni、A. Shabani、S. Lloyd 和 H. Rabitz,“光合复合物中最优和稳健量子传输的能量尺度收敛”J. Chem。 物理。 140, 035102 (2014)。
https:/ / doi.org/10.1063/ 1.4856795

[5] Marco del Rey、Alex W. Chin、Susana F. Huelga 和 Martin B. Plenio,“利用结构化环境实现高效能量传输:声子天线机制”J. Phys。 化学。 莱特。 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 和 Christian F. Roos,“10 量子比特网络中的环境辅助量子传输”物理学。 牧师莱特。 122, 050501 (2019)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.050501

[7] Dvira Segaland Bijay Kumar Agarwalla “分子结中的振动热传递” Ann。 牧师物理。 化学。 67, 185–209 (2016)。
https:///doi.org/10.1146/annurev-physchem-040215-112103

[8] S. Gröblacher、A. Trubarov、N. Prigge、GD Cole、M. Aspelmeyer 和 J. Eisert,“观察非马尔可夫微机械布朗运动”Nat。 交流。 6, 7606 (2015)。
https:///doi.org/10.1038/ncomms8606

[9] Anton Potočnik、Arno Bargerbos、Florian AYN Schröder、Saeed A. Khan、Michele C. Collodo、Simone Gasparinetti、Yves Salathé、Celestino Creatore、Christopher Eichler、Hakan E. Türeci、Alex W. Chin 和 Andreas Wallraff,“学习光-用超导电路收集模型” Nat。 交流。 9, 904 (2018)。
https:///doi.org/10.1038/s41467-018-03312-x

[10] Heng-Na Xiong, Yi Li, Yixiao Huang, and Zichun Le,“具有无限腔阵列结构的光子晶体”Quant。 信息。 &比较。 18, 267–284 (2018)。
https:/ / doi.org/ 10.26421 / QIC18.3-4-6

[11] Inés de Vega 和 Daniel Alonso “非马尔可夫开放量子系统的动力学”Rev. Mod。 物理。 89, 015001 (2017)。
https:///doi.org/10.1103/revmodphys.89.015001

[12] HP Breuer、EM Laine、J. Piilo 和 B. Vacchini,“学术讨论会:开放量子系统中的非马尔可夫动力学”Rev. Mod。 物理。 88, 021002 (2016)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.88.021002

[13] Mark T Mitchison “量子热吸收机器:冰箱、发动机和钟表”当代。 物理。 60, 164–187 (2019)。
https:/ / doi.org/10.1080/ 00107514.2019.1631555

[14] F. Binder、LA Correa、C. Gogolin、J. Anders 和 G. Adesso,“量子体系中的热力学” 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 和 J. Goold,“模拟强相互作用量子热机的张量网络方法”Phys。 修订版 X 10, 031040 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.031040

[16] Philipp Strasberg、Gernot Schaller、Neill Lambert 和 Tobias Brandes,“基于反应坐标映射的强耦合和非马尔可夫体系中的非平衡热力学”New J. Phys。 18, 073007 (2016)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​7/​073007

[17] Gerald D Mahan “多粒子物理学” Springer Science & Business Media (2013)。

[18] Robert Silbey 和 Robert A. Harris “与浴相互作用的两能级系统动力学的变分计算”J. Chem。 物理。 80, 2615–2617 (1984)。
https:/ / doi.org/10.1063/ 1.447055

[19] RA Harrisand R. Silbey “隧道系统与热浴相互作用的变分计算。 二、 不对称隧道系统的动力学”J. Chem。 物理。 83, 1069–1074 (1985)。
https:/ / doi.org/10.1063/ 1.449469

[20] Jozef T Devreese 和 Alexandre S Alexandrov “Fröhlichpolaron 和 bipolaron:最近的发展” Rep. Prog。 物理。 72, 066501 (2009)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​72/​6/​066501

[21] Alexey Kavokinand Guillaume Malpuech “Cavity polaritons” Elsevier (2003)。

[22] Peter Kirton 和 Jonathan Keeling “驱动耗散 Dicke 模型中的超辐射态和激光态” 新 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 和 Benjamin L Lev,“多模腔中具有玻色-爱因斯坦凝聚的超模密度波极化子凝聚”Nat。 交流。 8, 14386 (2017)。
https:///doi.org/10.1038/ncomms14386

[24] Martin Gärttner、Justin G Bohnet、Arghavan Safavi-Naini、Michael L Wall、John J Bollinger 和 Ana Maria Rey,“测量被捕获离子量子磁体中的无序相关性和多量子光谱”Nat。 物理层。 13, 781–786 (2017)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / nphys4119

[25] Jun Li, Ruihua Fan, Hengyan Wang, Bingtian Ye, Bei Zeng, Hui Zhai, 彭新华和杜江峰,“在核磁共振量子模拟器上测量乱序相关器”,物理学。 修订版 X 7, 031011 (2017)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.031011

[26] Mohamad Niknam、Lea F. Santos 和 David G. Cory,“使用非局部无序相关函数测量的量子信息对环境扰动的敏感性”Phys。 牧师水库。 2, 013200 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.013200

[27] Jake Iles-Smith、Neill Lambert 和 Ahsan Nazir,“环境动力学、相关性和开放量子系统中非规范平衡状态的出现”物理学。 修订版 A 90, 032114 (2014)。
https:///doi.org/10.1103/physreva.90.032114

[28] Jake Iles-Smith、Arend G. Dijkstra、Neill Lambert 和 Ahsan Nazir,“结构化和非结构化环境中的能量转移:超越 Born-Markov 近似的主方程”J. Chem。 物理。 144, 044110 (2016)。
https:/ / doi.org/10.1063/ 1.4940218

[29] Neill Lambert、Shahnawaz Ahmed、Mauro Cirio 和 Franco Nori,“用非物理模式建模超强耦合自旋玻色子模型” Nat。 交流。 10, 3721 (2019)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-019-11656-1

[30] Lili Zhu, Hao Liu, Weiwei Xie, and Qiang Shi, “Explicit system-bath correlation computed using the hierarchy equations of motion method”J. Chem. 物理。 137, 194106 (2012)。
https:/ / doi.org/10.1063/ 1.4766358

[31] 宋林泽、史强“应用于模型分子结中非平衡热传输的层次运动方程方法:瞬态热流和电流算子的高阶矩”物理。 修订版 B 95, 064308 (2017)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.95.064308

[32] C Schinabeck、R Härtle 和 M Thoss,“通过纳米系统的非平衡传输中电子振动耦合的分级量子主方程方法:水库配方和振动不稳定性的应用”物理。 修订版 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 和 Paul R. Eastham,“具有时间演化矩阵乘积算子的量子热统计”PRX Quantum 2, 020338 (2021)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020338

[34] Massimiliano Esposito、Upendra Harbola 和 Shaul Mukamel,“量子系统中的非平衡涨落、涨落定理和计数统计”Rev. Mod。 物理。 81, 1665 (2009)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665

[35] Michael Kilgour、Bijay Kumar Agarwalla 和 Dvira Segal,“量子热传输的路径积分方法和模拟:全计数统计方法”J. Chem。 物理。 150, 084111 (2019)。
https:/ / doi.org/10.1063/ 1.5084949

[36] Javier Prior、Alex W. Chin、Susana F. Huelga 和 Martin B. Plenio,“强系统-环境交互的有效模拟”物理学。 牧师莱特。 105, 050404 (2010)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.050404

[37] Dario Tamascelli “链映射环境中的激发动力学” Entropy 22, 1320 (2020)。
https:///doi.org/10.3390/e22111320

[38] Florian AYN Schröderand Alex W Chin “模拟具有时间相关变分矩阵乘积状态的开放量子动力学:迈向环境动力学的微观相关性和减少的系统演化”物理学。 修订版 B 93, 075105 (2016)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.93.075105

[39] C Gonzalez-Ballestero、Florian AYN Schröder 和 Alex W Chin,“揭示具有变分矩阵乘积状态的有偏亚欧姆自旋玻色子模型的非微扰动力学”物理学。 修订版 B 96, 115427 (2017)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.96.115427

[40] A. Strathearn、P. Kirton、D. Kilda、J. Keeling 和 BW Lovett,“使用时间演化矩阵乘积算子的高效非马尔可夫量子动力学”Nat。 交流。 9, 3322 (2018)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-05617-3

[41] Yiu-Fung Chiu、Aidan Strathearn 和 Jonathan Keeling,“量子平均力吉布斯状态的数值评估和鲁棒性”(2021 年)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.012204

[42] Mathias R. Jørgensenand Felix A. Pollock “利用量子过程的因果张量网络结构有效模拟非马尔可夫路径积分”物理学。 牧师莱特。 123, 240602 (2019)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.240602

[43] Gerald E. Fux、Eoin P. Butler、Paul R. Eastham、Brendon W. Lovett 和 Jonathan Keeling,“有效探索非马尔可夫开放量子系统优化控制的哈密顿参数空间”物理学。 牧师莱特。 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 和 Peter Kirton,“结构化环境中的精确量子动力学”物理学。 牧师水库。 2, 013265 (2020)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.013265

[45] Felix A. Pollock、César Rodríguez-Rosario、Thomas Frauenheim、Mauro Paternostro 和 Kavan Modi,“非马尔可夫量子过程:完整框架和有效表征”物理学。 修订版 A 97, 012127 (2018)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.012127

[46] AJ Leggett、S. Chakravarty、AT Dorsey、Matthew PA Fisher、Anupam Garg 和 W. Zwerger,“耗散型二态系统的动力学”Rev. Mod。 物理。 59, 1-85 (1987)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.59.1

[47] Shaul Mukamel “非线性光谱学原理”牛津大学出版社,纽约(1995 年)。

[48] RP Feynmanand FL Vernon “一般量子系统与线性耗散系统相互作用的理论” Ann。 物理。 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 和 Pauli Virtanen,“用于驱动量子系统中功和热的完整计数统计的 Lindblad 方程方法”Phys。 修订版 E 90, 022103 (2014)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.90.022103

[50] TEMPO 合作“OQuPy:高效计算非马尔可夫开放量子系统的 Python 3 包”(2022 年)。
https:///doi.org/10.5281/zenodo.4428316
https://oqupy.readthedocs.io

[51] Nancy Makriand Dmitrii E. Makarov “用于降低密度矩阵的迭代量子时间演化的张量传播器。 I. 理论”J. Chem. 物理。 102, 4600–4610 (1995)。
https:/ / doi.org/10.1063/ 1.469508

[52] Aidan Strathearn “使用张量网络建模非马尔可夫量子系统” Springer Nature (2020)。
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-54975-6

[53] Román Orús “张量网络的实用介绍:矩阵乘积状态和投影纠缠对状态” Ann。 物理。 349, 117–158 (2014)。
https:/ / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2014.06.013

[54] Ulrich Schollwöck “矩阵积态时代的密度矩阵重整化群” Ann。 物理。 326, 96–192 (2011)。
https:/ / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2010.09.012

[55] Nancy Makriand Dmitrii E. Makarov “用于降低密度矩阵的迭代量子时间演化的张量传播器。 二、 数值方法”J. Chem. 物理。 102, 4611–4618 (1995)。
https:/ / doi.org/10.1063/ 1.469509

[56] M. Cygorek、M. Cosacchi、A. Vagov、VM Axt、BW Lovett、J. Keeling 和 EM Gauger,“使用自动环境压缩对任意开放量子系统进行数值精确模拟”(2021 年)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01544-9

[57] Ulrich Weiss“量子耗散系统”世界科学(2012 年)。

[58] Ahsan Nazirand Dara PS McCutcheon “模拟光驱动量子点中的激子-声子相互作用” J. Phys.:Condens。 第 28 号事项,第 103002 号(2016 年)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0953-8984/​28/​10/​103002

[59] S. Rackovsky 和 ​​R. Silbey “不纯固体中的电子能量转移:I. 嵌入晶格中的两个分子” Mol。 物理。 25, 61–72 (1973)。
https:/ / doi.org/10.1080/ 00268977300100081

[60] 郑怀修和 Harold U. Baranger “波导介导相互作用中的持续量子节拍和长距离纠缠”物理学。 牧师莱特。 110, 113601 (2013)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.113601

[61] I. Yeo,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 和 M. Richard,“量子点-机械振荡器混合系统中的应变介导耦合”Nat。 纳米技术。 9, 106 EP-(2013)。
https:///doi.org/10.1038/nnano.2013.274

[62] Emil Rozbickiand Paweł Machnikowski “量子点分子中声子辅助激发转移的量子动力学理论”物理学。 牧师莱特。 100, 027401 (2008)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.027401

[63] Gerald E. Fux、Dainius Kilda、Brendon W. Lovett 和 Jonathan Keeling,“与其环境强耦合的自旋链的热化”(2022 年)。
的arXiv:2201.05529

[64] Dominic Gribben、Dominic M. Rouse、Jake Iles-Smith、Aidan Strathearn、Henry Maguire、Peter Kirton、Ahsan Nazir、Erik M. Gauger 和 Brendon W. Lovett,“非马尔可夫开放量子系统中非加性环境的精确动力学” PRX 量子 3, 010321 (2022)。
https:/ / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010321

[65] Bogna Bylicka、D Chruściński 和 Sci Maniscalco,“量子通道的非马尔可夫性和储存记忆:量子信息理论视角”,Sci。 众议员 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 和 Jyrki Piilo,“非局部记忆效应辅助光纤中的纠缠分布”EPL 107, 54006 (2014)。
https:/​/​doi.org/​10.1209/​0295-5075/​107/​54006

[67] Daniel M Reich、Nadav Katz 和 Christiane P Koch,“利用非马尔可夫性进行量子控制”科学。 众议员 5, 12430 (2015)。
https:/ / doi.org/ 10.1038 / srep12430

被引用

[1] Dominic Gribben、Dominic M. Rouse、Jake Iles-Smith、Aidan Strathearn、Henry Maguire、Peter Kirton、Ahsan Nazir、Erik M. Gauger 和 Brendon W. Lovett,“非马尔可夫公开赛中非加法环境的精确动力学量子系统”, PRX 量子 3 1, 010321 (2022).

[2] Dragomir Davidovic,“开放量子系统的系统 Gorini、Kossakowski、Sudarshan 和 Lindblad 方程”, 的arXiv:2112.07863.

[3] Yiu-Fung Chiu、Aidan Strathearn 和 Jonathan Keeling,“量子平均力吉布斯态的数值评估和鲁棒性”, 物理评论A 106 1,012204(2022).

[4] Piper Fowler-Wright、Brendon W. Lovett 和 Jonathan Keeling,“有机极化子的高效多体非马尔可夫动力学”, 的arXiv:2112.09003.

[5] 陈若凡,“非马尔可夫开放系统中的热流”, 的arXiv:2207.00864.

以上引用来自 SAO / NASA广告 (最近成功更新为2022-10-25 13:42:51)。 该列表可能不完整,因为并非所有发布者都提供合适且完整的引用数据。

无法获取 Crossref引用的数据 在上一次尝试2022-10-25 13:42:49期间:无法从Crossref获取10.22331 / q-2022-10-25-847的引用数据。 如果DOI是最近注册的,这是正常的。

时间戳记:

更多来自 量子杂志