論文の概要: Emergent Non-Markovian Nonlinear Qubit From Collective Spin Interactions

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.07723v1
• Date: Fri, 07 Aug 2026 19:23:40 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-08-11 19:16:36.487003
• Title: Emergent Non-Markovian Nonlinear Qubit From Collective Spin Interactions
• Title（参考訳）: 集団スピン相互作用による創発的非マルコフ非線形量子
• Abstract要約: 閉相互作用多体系は、非線形量子ビットの減少に作用する制御された非マルコフ量子チャネルを生成することができることを示す。 我々は、非線型平均場極限の先頭の有限$N$補正を導出し、これらが創発的非マルコフ的デファス化過程に対応することを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Open-system descriptions are typically introduced by coupling a quantum system to an external environment. Here we show that a closed interacting many-body system can itself generate a controlled non-Markovian quantum channel acting on a reduced nonlinear qubit through finite-size corrections to a nonlinear mean-field limit. We demonstrate this using the Kitagawa-Ueda one-axis twisting model, $H=χJ_z^2$, a paradigmatic model of collective spin dynamics, spin squeezing, and two-component Bose-Einstein condensates. Although the large-$N$ regime of this model has been extensively studied, the conventional fixed-$χ$ scaling does not yield a nontrivial dynamical large-$N$ limit. In this paper, we investigate a complementary large-$N$ formulation obtained from the double limit $N\rightarrow\infty$ and $χ\rightarrow O(g/N)$, where $g$ is a coupling constant. We derive the leading finite-$N$ corrections to this limit and show that they correspond to an emergent non-Markovian dephasing process, producing a Gaussian decay of the Bloch-vector coherence with characteristic timescale $t_\varphi\geq\sqrt{N}/(2g)$. Exact finite-$N$ calculations demonstrate that this effective open-system description becomes quantitatively accurate for systems containing on the order of one hundred qubits. The resulting framework provides a microscopic realization of non-Markovian dephasing generated intrinsically by a closed many-body system and enables efficient simulation of collective quantum dynamics beyond unitary mean-field theory. These results link the long-studied phenomenon of phase diffusion in atomic ensembles and Bose-Einstein condensates to the growing effort to characterize non-Markovian, beyond-Lindblad noise in quantum computing hardware, providing a rare case in which such a noise channel is derived from microscopic dynamics rather than fit phenomenologically.
• Abstract（参考訳）: オープンシステム記述は通常、量子システムを外部環境に結合することによって導入される。 ここでは、閉相互作用多体系が、非線形平均場限界に対する有限サイズの補正により、還元された非線形量子ビットに作用する制御された非マルコフ量子チャネルをそれ自体で生成できることを示す。 ここでは, 北川上田一軸ねじれモデル, $H=\J_z^2$, 集合スピンダイナミクス, スピンスクイーズ, 二成分ボース・アインシュタイン凝縮のパラダイムモデルを用いてこれを実証する。 このモデルの大規模N$体制は広く研究されているが、従来の固定n$スケーリングは非自明な動的大N$制限を生じさせない。 本稿では、double limit $N\rightarrow\infty$ と $n\rightarrow O(g/N)$ から得られる補的大元 N$ の定式化について検討する。 我々は、この極限に先行する有限$N$の補正を導出し、これらが創発的でない非マルコフの退化過程に対応し、特性時間スケール $t_\varphi\geq\sqrt{N}/(2g)$ のブロッホベクトルコヒーレンスをガウス的に崩壊させることを示す。 厳密な有限$N$計算は、この効果的な開系記述が100キュービットの順序を含む系に対して定量的に正確になることを示す。 結果として生じるフレームワークは、閉じた多体系によって本質的に生成された非マルコフ的退化の顕微鏡的実現を提供し、ユニタリ平均場理論を超えた集合量子力学の効率的なシミュレーションを可能にする。 これらの結果は、原子アンサンブルにおける位相拡散の長期研究現象と、ボース=アインシュタインの凝縮と、量子コンピューティングハードウェアにおける非マルコフ的、非リンドブラッドノイズを特徴づける努力が結びつき、そのようなノイズチャネルが現象学的に適合するよりも微視的ダイナミクスから導出されることは稀である。

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