在人造热库中量子多体自旋系统的新的非平衡动力学研究

In recent years a series of beautiful experiments on the dynamics of ultracold atoms in optical lattices or magnetic traps has led to an upsurge in studies of non-equilibrium quantum critical systems. The simplest protocol to study non-equilibrium dynamics is the so-called quantum quench, which broadly involves two distinct categories: one type is a slow linear quench through a quantum critical point, the other is a rapid quench. Quantum adiabatic computation is actually a linear quench. The project introduces a especial reservoir, whose pure dissipative dynamics will lead to a specific ground state of the quantum system. We consider a reservoir engineering to optimize quantum adiabatic computation, and attempt to shorten the running time via a hybrid proposal. Furthermore, we also analyze the other quench dynamic behaviors of the Ising spin chain in artificial reservoir, and extend these discusses to a two-dimensional case. Our research results will shed light on the new effect of the reservoir engineering on non-equilibrium open quantum critical systems, further reveal various interesting dynamic features and its relation with quantum phase transition. We trust that this project is of realistic significance for preparing or manipulating a quantum many-body system in practice, even for realizing quantum computations.

近年来，有关于在光晶格或在磁陷中超冷原子动力学操控的一系列实验掀起了对非平衡量子临界系统研究的高潮。最简单的研究非平衡动力学的方式就是量子淬火，其主要分为缓慢的线性淬火和突发淬火。量子绝热计算实际上就是一个线性淬火过程。本项目引入一种特殊的热库，其纯粹的耗散行为将导致系统演化到某个特定的基态。我们考察了热库工程对量子绝热计算的优化，试图建立一种混合机制来缩短计算时间。另外，我们还分析了在人造热库中伊辛自旋链的其它淬火动力学行为，并把讨论推广到了二维。本项目将阐明热库工程对非平衡开放量子临界系统的新的影响， 揭示相应的各种有趣的动力学行为以及与量子相变的关系，这将对在实验中制备和操控一个量子多体系统甚或实现量子计算带来积极的意义。

对于量子多体非平衡系统的动力学研究是近年来的热点，但依然存在很多亟待解决或澄清的问题。围绕这个主题，我们首先考察了一个与马尔科夫热库相耦合的横场伊辛链在突发淬火它的横场强度后的动力学行为，这里的马尔科夫热库在Jordan–Wigner费米子空间是局域的。作为一个严格可解的模型，传热量、横场磁化率、扭结密度等物理量的精确计算让我们加深了对开放量子多体系统的非平衡动力学的理解。在这个模型中，我们引入了抽吸和衰退这两种阻尼机制，发现在构造伴随有耗散量子相变的非平衡稳态时，这两种机制的强度差扮演了一个关键角色，且在常规弛豫下幺正演化与退相干之间的竞争并不一定导致准静态或说是预热化过程的产生。. . 另外，我们考察了伴随转动自旋的热伊辛链的统计功和功分布函数的边沿奇异性，并发现平均功可以同时捕捉到普通量子相变点和非平衡量子相变点，但是后者不会被热涨落掩盖掉。而且在有限温情况闪频缺陷可以被周期的吉布斯系综所描述，而这个周期的吉布斯系综是通过驱动自旋产生的。我们的研究表明沿等能谱线的时间周期驱动可以作为解释量子非平衡动力学的一个有益的出发点。我们推测，我们所揭示的非平衡量子临界性的温度不可擦除性也许可以在实验中得到验证，有限温的闪频缺陷的发现也许可以为在解析框架下探索Floquet时间晶体开辟新的途径。. . 我们研究的另外两个问题则包括了如何利用方波脉冲调制提高耗散量子系统的参数估计精度，以及如何利用驱动抑制退相干、触发非马尔科夫性的产生和进一步地压缩量子速度极限时间。上面提到的所有四个方面的研究成果均写作成文发表于国际物理杂志。作为理论研究，我们揭示了非平衡量子物理的一些新特性，并提供了一些新视角。