論文の概要: Schwinger-Keldysh non-perturbative 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/2405.00765v5
• Date: Thu, 11 Sep 2025 18:36:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-15 14:04:02.825218
• Title: Schwinger-Keldysh non-perturbative 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、多くの相互に相互作用する量子スピンからなるオープン量子システムのための統一的なフレームワークを開発する。 我々のフレームワークはシュウィンガー・ケルディシュ場の理論に基づいて、任意のスピン値、空間の次元、幾何学を扱うことができる。 非マルコフ力学や非摂動的効果が重大な課題を引き起こす体制を探索することができる。
• 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 unified framework for open quantum systems composed of many mutually interacting quantum spins, or any isomorphic systems like qubits and qudits, surrounded by one or more independent bosonic baths. Our framework, based on Schwinger-Keldysh field theory (SKFT), can handle arbitrary spin value S, dimensionality of space, and geometry, while being applicable to a large parameter space for system and bath or their coupling. It can probe regimes in which non-Markovian dynamics and nonperturbative effects pose formidable challenges for other state-of-the-art theoretical methods. This is achieved by working with the two-particle irreducible (2PI) effective action, which resums classes of Feynman diagrams of SKFT to an infinite order. Furthermore, such diagrams are generated via an expansion in 1/N, where N is the number of Schwinger bosons we employ to map spin operators onto canonically commuting ones, rather than via conventional expansion in system-bath coupling constant. We carefully benchmark our SKFT+2PI-computed results vs. numerically (quasi)exact ones from tensor network calculations applied to the archetypical spin-boson model where both methodologies are applicable. Additionally, we demonstrate the capability of SKFT+2PI to handle a much more complex spin-chain-boson model with multiple baths interacting with each spin where no benchmark from other methods is available at present. The favorable numerical cost of solving integro-differential equations produced by the SKFT+2PI framework with an increasing number of spins and time steps makes it a promising route for simulating driven-dissipative systems in quantum computing, quantum magnonics, and quantum spintronics.
• Abstract（参考訳）: 我々は、多くの相互に相互作用する量子スピン、あるいは1つ以上の独立したボゾン浴に囲まれた量子ビットや量子ビットのような任意の同型系からなるオープン量子システムのための統一的な枠組みを開発する。 我々のフレームワークはSchwinger-Keldysh場理論(SKFT)に基づいており、任意のスピン値S、空間の次元性、幾何学を扱える一方で、システムやバス、あるいはそれらの結合のための大きなパラメータ空間にも適用できる。 これは、非マルコフ力学や非摂動効果が他の最先端の理論的手法に重大な課題をもたらす体制を探索することができる。 これは、SKFT のファインマン図形のクラスを無限順序に再仮定する 2 粒子既約 (2PI) 実効作用を扱うことによって達成される。 さらに、そのようなダイアグラムは 1/N の展開によって生成され、そこで N はスピン作用素をシステム-バス結合定数の従来の拡張ではなく、正準交換子に写像するために使われるシュウィンガーボソンの数である。 両手法が適用可能な古典的スピンボソンモデルに適用したテンソルネットワーク計算から,SKFT+2PI計算結果と数値的(準)エクサクティクス結果とを慎重にベンチマークする。 さらに、SKFT+2PIがスピンと相互作用する複数の浴槽を持つより複雑なスピン-チェーン-ボソンモデルを扱う能力を示した。 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の増加と時間ステップで解くのに有利な数値コストは、量子コンピューティング、量子マグノニクス、量子スピントロニクスにおける駆動散逸系をシミュレートするための有望な経路である。

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