論文の概要: Exact $k$-body representation of the Jaynes-Cummings interaction in the dressed basis: Insight into many-body phenomena with light

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2103.07571v1
• Date: Fri, 12 Mar 2021 23:21:12 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-08 08:23:31.249726
• Title: Exact $k$-body representation of the Jaynes-Cummings interaction in the dressed basis: Insight into many-body phenomena with light
• Title（参考訳）: 服装ベースにおけるjaynes-cummings相互作用の正確な$k$-body表現:光を用いた多体現象の考察
• Authors: Kevin C. Smith, Aniruddha Bhattacharya, David J. Masiello
• Abstract要約: 我々は、JCハミルトニアンを服を着た作用素表現に変換する非摂動手順を提案する。 この研究は、JC型システムの基礎となるボソニック多体相互作用の明確な数学的説明として機能することを目的としている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Analog quantum simulation - the technique of using one experimentally well-controlled physical system to mimic the behavior of another - has quickly emerged as one of the most promising near term strategies for studying strongly correlated quantum many-body systems. In particular, systems of interacting photons, realizable in solid-state cavity and circuit QED frameworks, for example, hold tremendous promise for the study of nonequilibrium many-body phenomena due to the capability to locally create and destroy photons. These systems are typically modeled using a Jaynes-Cummings-Hubbard (JCH) Hamiltonian, named due to similarities with the Bose-Hubbard (BH) model. Here, we present a non-perturbative procedure for transforming the JC Hamiltonian into a dressed operator representation that, in its most general form, admits an infinite sum of bosonic $k$-body terms where $k$ is bound only by the number of excitations in the system. We closely examine this result in both the dispersive and resonant coupling regimes, finding rapid convergence in the former and contributions from $k\gg1$ in the latter. Through extension to a two-site JCH system, we demonstrate that this approach facilitates close inspection of the analogy between the JCH and BH models and its breakdown for resonant light-matter coupling. Finally, we use this framework to survey the many-body character of a two-site JCH for general system parameters, identifying four unique quantum phases and the parameter regimes in which they are realized, thus highlighting phenomena realizable with finite JCH-based quantum simulators beyond the BH model. More broadly, this work is intended to serve as a clear mathematical exposition of bosonic many-body interactions underlying JC-type systems, often postulated through analogy to Kerr-like nonlinear susceptibilities or by matching coefficients to obtain the appropriate eigenvalue spectrum.
• Abstract（参考訳）: アナログ量子シミュレーション - 実験的によく制御された物理系を使って別の振る舞いを模倣する手法 - は、強相関量子多体系の研究に最も有望な近距離戦略の1つとして急速に現れている。 特に、固体キャビティや回路qedフレームワークで実現可能な相互作用する光子系は、局所的に光子を生成して破壊する能力があるため、非平衡多体現象の研究に多大な期待を持っている。 これらのシステムは通常、Bose-Hubbard (BH)モデルと類似性から命名されたJaynes-Cummings-Hubbard (JCH) Hamiltonianを用いてモデル化される。 ここでは、jcハミルトニアンを着飾った作用素表現に変換する非摂動的手順を示し、最も一般的な形式では、ボソニックの$k$-体項の無限和を認め、ここでは$k$ は系の励起数によってのみ束縛される。 我々は、この結果が分散結合と共振結合の双方でよく調べ、前者の急速な収束と後者の$k\gg1$からの貢献を見出した。 2サイトJCHシステムの拡張を通じて、本手法はJCHモデルとBHモデル間の類似点の綿密な検査と、共振光-マター結合の分解を促進することを実証する。 最後に、本フレームワークを用いて、一般的なシステムパラメータに対する2サイトJCHの多体特性を調査し、4つのユニークな量子位相とそれらが実現されるパラメータ状態を特定し、BHモデルを超えた有限のJCHベースの量子シミュレータで実現可能な現象を強調する。 より広範に、この研究はJC型系の基盤となるボソニック多体相互作用の明確な数学的表現として機能することを目的としており、ケーラー型非線形感受性の類似や、適切な固有値スペクトルを得るための一致係数によってしばしば仮定される。

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