論文の概要: Thermal state structure in the Tavis--Cummings model and rapid simulations in mesoscopic quantum ensembles

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.02133v1
• Date: Tue, 03 Dec 2024 03:44:43 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-04 15:41:06.597177
• Title: Thermal state structure in the Tavis--Cummings model and rapid simulations in mesoscopic quantum ensembles
• Title（参考訳）: Tavis-Cummings模型の熱状態構造とメソスコピック量子アンサンブルの高速シミュレーション
• Authors: Lane G. Gunderman, Troy Borneman, David G. Cory,
• Abstract要約: 電磁場と一様に相互作用するNスピン1/2粒子の集合からなるハイブリッド量子系は、量子情報プロセッサの開発に重要である。 この研究において、Dicke subspace approximation があまりに簡単に呼び出されることが定量的に示される。 この研究の結果は、結合キャビティアレイ、空洞を介する集合スピンアンサンブルのカップリング、集合スピンシステムなど、関連するシステムにも利用できる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: Hybrid quantum systems consisting of a collection of N spin-1/2 particles uniformly interacting with an electromagnetic field, such as one confined in a cavity, are important for the development of quantum information processors and will be useful for metrology, as well as tests of collective behavior. Such systems are often modeled by the Tavis-Cummings model and having an accurate understanding of the thermal behaviors of this system is needed to understand the behavior of them in realistic environments. We quantitatively show in this work that the Dicke subspace approximation is at times invoked too readily, in specific we show that there is a temperature above which the degeneracies in the system become dominant and the Dicke subspace is minimally populated. This transition occurs at a lower temperature than priorly considered. When in such a temperature regime, the key constants of the motion are the total excitation count between the spin system and cavity and the collective angular momentum of the spin system. These enable perturbative expansions for thermal properties in terms of the energy shifts of dressed states, called Lamb shifts herein. These enable efficient numeric methods for obtaining certain parameters that scale as $O(\sqrt{N})$, and is thus highly efficient. These provide methods for approximating, and bounding, properties of these systems as well as characterizing the dominant population regions, including under perturbative noise. In the regime of stronger spin-spin coupling the perturbations outweigh the expansion series terms and inefficient methods likely are needed to be employed, removing the computational efficiency of simulating such systems. The results in this work can also be used for related systems such as coupled-cavity arrays, cavity mediated coupling of collective spin ensembles, and collective spin systems.
• Abstract（参考訳）: 空洞に閉じ込められたような電磁場と一様に相互作用するNスピン1/2粒子の集合からなるハイブリッド量子系は、量子情報プロセッサの開発に重要であり、気象学や集合的挙動のテストにも有用である。 このようなシステムは、しばしばTavis-Cummingsモデルによってモデル化され、現実的な環境での熱的挙動を正確に理解する必要がある。 この研究において、Dicke 部分空間近似は、しばしば簡単に呼び出されることが定量的に示され、具体的には、系の退化が支配的になり、Dicke 部分空間が極小人口となる温度が存在することを示す。 この遷移は以前考えられていたよりも低い温度で起こる。 このような温度状態において、運動の鍵定数はスピン系とキャビティの間の総励起数とスピン系の集合角運動量である。 これはランブシフト(Lamb shifts here)と呼ばれる、服装状態のエネルギーシフトの観点からの熱的性質の摂動的拡張を可能にする。 これにより、$O(\sqrt{N})$としてスケールする特定のパラメータを得るための効率的な数値法が実現され、したがって非常に効率的である。 これらは、これらのシステムの特性を近似し、有界化し、摂動雑音を含む支配的な人口領域を特徴づける方法を提供する。 強いスピンスピン結合の時代には、摂動は拡張系列の項よりも優れており、そのような系をシミュレーションする計算効率をなくすために、おそらく非効率な方法を採用する必要がある。 この研究の結果は、結合キャビティアレイ、空洞を介する集合スピンアンサンブルのカップリング、集合スピンシステムなど、関連するシステムにも利用できる。

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