論文の概要: Switching Dynamics of Metastable Open Quantum Systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.05202v1
• Date: Thu, 08 May 2025 13:00:19 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-09 21:43:49.884163
• Title: Switching Dynamics of Metastable Open Quantum Systems
• Title（参考訳）: 準安定開量子系のスイッチングダイナミクス
• Authors: Ya-Xin Xiang, Weibin Li, Zhengyang Bai, Yu-Qiang Ma,
• Abstract要約: 量子ビットやライドバーグ原子のような量子系は、小さなスペクトルギャップを持つ集合量子ジャンプと長寿命のリウヴィリアモードを通じて類似の挙動を示す。 ここでは、大きな偏差原理のレンズによるスイッチングダイナミクスと量子メタスタビリティの関連について詳述する。 これらの結果は、熱力学の限界から遠く離れた、強く相互作用し、散逸する量子系の量子安定性と緩和過程に関する新たな洞察を与える。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.4473518548010192
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Classical metastability manifests as noise-driven switching between disjoint basins of attraction and slowing down of relaxation, quantum systems like qubits and Rydberg atoms exhibit analogous behavior through collective quantum jumps and long-lived Liouvillian modes with a small spectral gap. Though any metastable mode is expected to decay after a finite time, stochastic switching persists indefinitely. Here, we elaborate on the connection between switching dynamics and quantum metastability through the lens of the large deviation principles, spectral decomposition, and quantum-jump simulations. Specifically, we distinguish the trajectory-level noise-induced metastability (stochastic switching) from the spectrum-level deterministic metastability (small Liouvillian gap) in a Markovian open quantum system with bistability. Without stochastic switching, whether a small spectral gap leads to slow relaxation depends on initial states. In contrast, with switching, the memory of initial conditions is quickly lost, and the relaxation is limited by the rare switching between the metastable states. Consistent with the exponential scaling of the Liouvillian gap with system size, the switching rates conform to the Arrhenius law, with the inverse system size serving as the nonequilibrium analog of temperature. Using the dynamical path integral and the instanton approach, we further extend the connection between the quasipotential functional and the probabilities of rare fluctuations to the quantum realm. These results provide new insights into quantum bistability and the relaxation processes of strongly interacting, dissipative quantum systems far away from the thermodynamic limit.
• Abstract（参考訳）: 古典的なメタスタビリティは、アトラクションの不整合盆地と緩和の減速の間のノイズ駆動的な切り替えとして現れ、量子ビットやリドバーグ原子のような量子系は、小さなスペクトルギャップを持つ集合量子ジャンプと長寿命のリウヴィリアモードを通じて類似の挙動を示す。 準安定モードは有限時間後に崩壊すると予想されるが、確率スイッチングは無限に持続する。 ここでは、大きな偏差原理、スペクトル分解、量子ジャンプシミュレーションのレンズによるスイッチングダイナミクスと量子準安定性の関連について詳述する。 具体的には, 安定度を有するマルコフ開量子系において, スペクトルレベル決定論的メタスタビリティ (小リウヴィリアギャップ) とトラジェクトリレベルのノイズ誘起メタスタビリティ (確率的スイッチング) を区別する。 確率的なスイッチングがなければ、小さなスペクトルギャップが緩やかに緩和するかどうかは初期状態に依存する。 対照的に、スイッチングでは初期条件の記憶が急速に失われ、メタスタブル状態間の稀なスイッチングによって緩和が制限される。 リウヴィリアのギャップの指数的スケーリングとシステムサイズは一致し、スイッチングレートはアレニウスの法則に従っており、逆系のサイズは温度の非平衡アナログとして機能する。 動的経路積分とインスタントンアプローチを用いて、準ポテンシャル汎函数と稀なゆらぎの確率の量子領域への接続をさらに拡張する。 これらの結果は、熱力学の限界から遠く離れた、強く相互作用し、散逸する量子系の量子安定性と緩和過程に関する新たな洞察を与える。

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