論文の概要: Schwinger-Keldysh nonperturbative field theory of open quantum systems beyond the Markovian regime: Application to spin-boson and spin-chain-boson models

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.00765v4
• Date: Fri, 28 Feb 2025 18:36:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-03-04 12:58:30.078199
• Title: Schwinger-Keldysh nonperturbative field theory of open quantum systems beyond the Markovian regime: Application to spin-boson and spin-chain-boson models
• 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・ケルディシュ非摂動場理論:スピン-ボソンおよびスピン-チェーン-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、任意の値 S の相互作用する多くの量子スピンを扱う場理論フレームワークを構築する。 我々のフレームワークは、非マルコフ系におけるスピンボソンの数値的正確なベンチマークを追跡する。 これは、量子コンピューティングや量子マグノ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ルートである。
• 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: Open quantum systems with many interacting degrees of freedom pose a formidable challenge for presently available theoretical methods, especially when dissipative environment imposes non-Markovian dynamics on them with memory effects and revival of genuine quantum properties. Even the archetypical spin-boson model, where a single spin-1/2 interacts with an infinite bosonic bath, requires switching between methods for different choice of system and bath parameters. Here, we construct a field-theoretic framework as a single methodology that can handle many mutually interacting quantum spins of arbitrary value S, spatial dimensionality, system-bath coupling, bath temperature and spectral properties of the bath. Our framework combines Schwinger-Keldysh field theory (SKFT) with two-particle irreducible (2PI) action resumming a class of Feynman diagrams to an infinite order originating from 1/N expansion, where N is the number of Schwinger bosons to which the spin is mapped. Remarkably, the SKFT+2PI approach closely tracks numerically exact benchmarks for spin-boson in the non-Markovian regime obtained from hierarchical equations of motion or tensor network methods. Furthermore, we demonstrate the ability of our SKFT+2PI framework to compute two-spin correlators of an antiferromagnetic quantum spin chain whose edge spins are coupled to a set of three bosonic baths (one for each spin component) at different temperatures. The favorable numerical cost of solving integro-differential equations produced by SKFT+2PI framework with increasing number of spins, time steps or spatial dimensionality makes it a promising route for simulation of driven-dissipative systems in quantum computing or quantum magnonics and quantum spintronics in the presence of a single or multiple dissipative environments.
• Abstract（参考訳）: 多くの相互作用する自由度を持つオープン量子系は、特に散逸性環境がメモリ効果と真の量子特性の復活を伴う非マルコフ力学を課す場合、現在利用可能な理論手法にとって大きな課題となる。 1つのスピン-1/2が無限のボゾン浴と相互作用する古典的なスピン-ボソンモデルでさえ、システムと浴のパラメータの異なる方法の切り替えを必要とする。 ここでは,任意の値 S, 空間次元, システムバス結合, 浴温, および浴のスペクトル特性を相互に相互作用する多くの量子スピンを処理できる単一手法として, 場理論の枠組みを構築した。 我々のフレームワークは、シュウィンガー・ケルディッシュ場理論(SKFT)と、スピンが写像されるシュウィンガーボソンの数である1/N展開に由来する無限順序のファインマン図形のクラスを仮定する2つの粒子既約(2PI)作用を組み合わせる。 注目すべきは、SKFT+2PIアプローチは、運動の階層的方程式やテンソルネットワーク法から得られる非マルコフ状態におけるスピンボソンの数値的正確なベンチマークを、密接に追跡することである。 さらに,このSKFT+2PIフレームワークを用いて,異なる温度で3つのボゾン浴(スピン成分毎に1つ)にエッジスピンを結合した反強磁性量子スピン鎖の2スピン相関子を計算できることを実証した。 SKFT+2PIフレームワークが生成する積分微分方程式をスピン数、時間ステップまたは空間次元で解くのに有利な数値コストは、単一または複数の散逸環境が存在する場合、量子コンピューティング、量子マグノニクスおよび量子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に有望なルートとなる。

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