論文の概要: Quantum tunneling in the presence of a topology-changing fermionic bath

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2112.14280v1
• Date: Tue, 28 Dec 2021 19:39:58 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-03 01:37:56.359002
• Title: Quantum tunneling in the presence of a topology-changing fermionic bath
• Title（参考訳）: トポロジー変化するフェルミオン浴の存在下での量子トンネル
• Authors: Elis Roberts, Jan Behrends, Benjamin B\'eri
• Abstract要約: 量子粒子をフェルミオン浴に結合すると、0温度でも粒子のトンネルへの振幅が抑制される。 粒子トンネルの間の潜在的なミニマ付近で浴を空洞化することは可能であるが、異なるミニマは異なる浴のトポロジーに対応する。 トポロジ変化はシステムサイズと指数関数的にスケールする因子によってトンネル化を抑制する。
• 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: Coupling a quantum particle to a fermionic bath suppresses the particle's amplitude to tunnel, even at zero temperature. While this effect can generally be neglected for gapped baths -- a key feature for superconducting qubits -- , it is possible for the bath to be gapped near the potential minima between which the particle tunnels, but different minima to correspond to different bath topologies. This enforces the bath to undergo gap closing along the tunneling path. In this work, we investigate quantum tunneling in the presence of such a topology-changing fermionic bath. We develop a field theory for this problem, linking the instantons describing tunneling in a bath of $d$ space dimensions to topological boundary modes of systems in $d+1$ dimensions, thus stepping a level higher in a dimensional hierarchy. We study in detail a $d=1$ example, inspired by planar Josephson junctions where the particle coordinate is the superconducting phase whose value sets the electronic topology. We find that the topology change suppresses tunneling by a factor scaling exponentially with the system size. This translates to a correspondingly enhanced suppression of the energy splitting for the lowest-lying states, despite these being linear combinations of states near potential minima where the bath is gapped. Our results help to estimate the influence of charging energy on topological phases arising due to the Josephson effect and, conversely, to assess the potential utility of such topological systems as superconducting qubits. For moderate-sized baths, the incomplete suppression of tunneling opens the prospects of quantum-mechanical superpositions of many-body states of different topology, including superpositions of states with and without Majorana fermions.
• Abstract（参考訳）: 量子粒子をフェルミオン浴に結合すると、0温度でも粒子のトンネルへの振幅が抑制される。 この効果は、一般に超伝導量子ビットの重要な特徴である空隙浴には無視できるが、粒子トンネルが持つポテンシャルミニマ付近で、異なる空洞位相に対応するために異なるミニマがギャップを空けることが可能である。 これにより、浴場はトンネル経路に沿って隙間を閉ざすことができる。 本研究では,このようなトポロジー変化するフェルミオン浴の存在下での量子トンネルの研究を行う。 この問題に対するフィールド理論を開発し、d$空間次元の浴槽内のトンネルを記述するインスタントンと、d+1$次元の系の位相境界モードを結びつけ、次元階層のレベルを上昇させる。 我々は、粒子座標が電子トポロジーを構成する超伝導位相である平面ジョセフソン接合に触発された$d=1$の例を詳細に研究する。 トポロジ変化はシステムサイズと指数関数的にスケールする因子によってトンネル化を抑制する。 これは、浴槽がガッピングされるポテンシャルミニマ近傍の状態の線形結合であるにもかかわらず、最低ライディング状態に対するエネルギー分割の、対応する強化された抑制を意味する。 本研究では, ジョゼフソン効果に起因する位相相に対する電荷エネルギーの影響を推定し, 逆に超伝導量子ビットのような位相系の潜在的有用性を評価する。 中程度サイズの浴槽では、トンネルの非完全抑制は、マヨラナフェルミオンの有無を含む状態の重ね合わせを含む、異なるトポロジーの多体状態の量子力学的重ね合わせの展望を開く。

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