論文の概要: Schwinger-Keldysh nonequilibrium quantum field theory of open quantum systems beyond the Markovian regime: Application to the spin-boson model

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.00765v1
• Date: Wed, 1 May 2024 17:57:08 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-05-03 20:42:37.169596
• Title: Schwinger-Keldysh nonequilibrium quantum field theory of open quantum systems beyond the Markovian regime: Application to the spin-boson model
• Title（参考訳）: マルコフ体制を超えた開量子系のシュウィンガー・ケルディシュ非平衡量子場理論:スピン-ボソンモデルへの応用
• Authors: Felipe Reyes-Osorio, Federico Garcia-Gaitan, David J. Strachan, Petr Plechac, Stephen R. Clark, Branislav K. Nikolic,
• Abstract要約: 我々は、散逸環境と相互作用するオープン量子系のためのSchwinger-Keldysh場理論(T)を開発する。 本研究では, スピンボソンモデルに適用し, 環境がボゾン浴で構成されている場合の典型例とする。
• 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: We develop a Schwinger-Keldysh field theory (SKFT) for open quantum systems interacting with a dissipative environment and apply it to the spin-boson model as an archetypical example where the environment is composed of a bosonic bath. Prior SKFT developments of this type have been confined to the Markovian regime, as an alternative to a conventional description by the Lindblad quantum master equation (QME) which is a time-local matrix differential equation. Here we combine SKFT with a two-particle irreducible (2PI) action that resums a class of Feynman diagrams to infinite order. We obtain the time-evolution of the spin density matrix in the form of a system of integro-differential equations applicable to both Markovian and non-Markovian regimes. The latter regime--where taking into account memory effects becomes essential--poses a challenge for standard methods when trying to incorporate arbitrary properties of the system, bath, and length of time evolution. The SKFT+2PI-computed time evolution of the spin expectation values in the Markovian regime reproduces the solution of the Lindblad QME, as long as the system-bath coupling in the latter is adjusted by increasing it. In the non-Markovian regime, SKFT+2PI yields a nonperturbative solution that mimics results from both hierarchical equations of motion and tensor networks methods that we employ as benchmarks. Our SKFT+2PI approach can also access challenging cases, such as zero-temperature and sub-Ohmic bath, as well as arbitrary long evolution times. Taking into account favorable numerical cost of solving the integro-differential equations with increasing number of spins, time steps or dimensionality the SKFT+2PI approach offers a promising route for simulation of driven-dissipative systems in quantum computing or quantum magnonics and spintronics in the presence of a variety of (single or multiple) dissipative environments.
• Abstract（参考訳）: 我々は、散逸した環境と相互作用するオープン量子系に対するシュウィンガー・ケルディッシュ場理論(SKFT)を開発し、その環境がボソニックバスで構成された古典的な例としてスピンボソンモデルに適用する。 このタイプの以前のSKFTの発展は、時間局所行列微分方程式であるリンドブラッド量子マスター方程式(英語版)(QME)による従来の記述の代替としてマルコフ系に限られていた。 ここで SKFT と 2-粒子既約 (2PI) の作用を組み合わせ、ファインマン図形のクラスを無限次とする。 スピン密度行列の時間進化は、マルコフ型と非マルコフ型の両方に適用される積分微分方程式の体系の形で得られる。 メモリ効果を考慮に入れた後者の体制は不可欠であり、システムや浴槽、時間進化の長さの任意の特性を取り入れようとする場合、標準的な手法では課題となる。 マルコフ系におけるスピン期待値のSKFT+2PI計算時間進化はリンドブラッドQMEの解を再現する。 非マルコフ系では、SKFT+2PIは、我々がベンチマークとして使用する運動の階層方程式とテンソルネットワークの手法の両方の結果を模倣する非摂動解が得られる。 我々のSKFT+2PIアプローチは、ゼロ温度やサブオーミックバス、任意の長い進化時間など、困難なケースにもアクセスできます。 SKFT+2PIアプローチは、スピン数、時間ステップまたは次元が増加する積分微分方程式を解くための好ましい数値コストを考慮して、様々な(単一または複数)散逸環境の存在下で、量子コンピューティングや量子マグノニクス、スピントロニクスにおける駆動散逸系のシミュレーションのための有望な経路を提供する。

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