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Dicke 模型简介
Dicke 模型描述了量化腔场与大量两能级原子之间的耦合。当原子数量趋于无穷大时，该模型可以转变为超辐射相，属于平均场 Ising 普适性类。超辐射跃迁首次预测是在热平衡原子中发生的，最近利用光腔中原子制成的量子模拟器实现了这一转变，该模拟器既受到耗散也受到驱动。除了这种原子实现之外，Dicke 模型的量子模拟还在许多其他实验系统中得到提出，包括超导量子比特、囚禁离子以及对冷原子使用自旋轨道耦合。在本进度报告中，我们介绍了一些与 Dicke 模型相关的理论概念，回顾了超辐射相变的临界性质，以及平衡和非平衡条件的区别。此外，我们解释了超辐射相变与更常见的激光跃迁之间的根本区别。我们的报告主要关注单模光学腔中原子的稳定状态，但我们也提到了实时动力学的一些方面，以及其他量子模拟器，包括超导量子比特、捕获离子和对冷原子使用自旋轨道耦合。这些实现在描述平衡系统还是非平衡系统方面有所不同。
Qudit Dicke 状态准备
对于量子比特 (d = 2) 的特殊情况，通过设置 ⃗ k = (k 0, k 1) = (n−k, k)，我们看到 | D n (⃗k)⟩ 简化为熟悉的 Dicke 状态 | D nk⟩。虽然已经研究了量子比特 Dicke 状态的性质 [37–43]，但迄今为止尚未考虑过这种状态的制备。本文的主要目标是制定一个确定性地制备任意量子比特 Dicke 状态的电路。这样的量子电路可用于将 (量子比特) Dicke 状态的许多应用推广到量子比特，例如量子网络 [7]、量子计量 [9]、量子压缩 [17] 和优化 [11]。特别地，需要将 (秩 1) 海森堡自旋链的算法 [21] 扩展为更高秩 ( SU ( d )) 可积自旋链 [45, 46]。
Dicke 模型的多离子模拟器的验证...
简介。— 具有可控耦合自旋和玻色子自由度 (d.o.f.) 的量子多体系统正在成为实现具有易于调整参数的量子模拟器的强大平台。例如，这些包括腔 QED (CQED) 系统 [1 – 8] 和捕获离子阵列 [9,10] 。大多数情况下，这些系统在远失谐状态下运行，其中玻色子在多体动力学中不发挥积极作用，而是用于介导粒子之间的自旋-自旋耦合。在这种有效的自旋模型领域取得了巨大进展，包括有和没有外部横向场的长程伊辛模型的实现，以及对丰富物理的探索，如纠缠动力学[1,2,11 – 17]、多体局域化[18]、时间晶体[19]和动态相变[20,21]。另一方面，除了少数粒子实现[22 – 30]外，玻色子自由度积极参与多体动力学的领域仍然很大程度上未被探索。在这项工作中，我们专注于这一领域，并报告了在自组装二维（2D）离子晶体中实现 Dicke 模型的模拟器，该模型是腔 QED 中的标志性模型，描述了（大）自旋和振荡器的耦合。Dicke 模型受到广泛关注，因为它展现了丰富的物理特性，包括量子相变和非遍历行为 [31] 。最近，由于密切相关的 Tavis-Cummings 模型在电路 QED [32] 中的实现以及在冷玻色子原子的 CQED 实验中的实现 [6 – 8,33,34] ，该模型重新引起了人们的关注。在
（几乎）所有内容都是DICKE模型 - 将非Superradiant相关光系统映射到确切可解决的Dicke模型
在过去的几十年中，空腔量子电动力学领域的进步以及电路量子电动力学为强烈和共计耦合到光模式的物质系统铺平了道路。这些实验突破使实现和研究范式理论模型（如Rabi，Tavis-Cummings和Dicke模型）在实验室中具有强烈的相互作用[4-11]。使用这些工具，一个基本问题是光与物质之间的相互作用如何相互影响，改变了分离的（潜在复杂）单个部分的特性，例如可观察结果，局部相互作用或相变的位置[12-22]。范式的光丝系统之一是Dicke模型，在光和物质部分上的设置最少[23，24]。该模型由n个单个自旋-1 / 2颗粒组成，这些粒子单独耦合到单个空腔模式。hepp和lieb显示了热力学极限n→∞可以通过Bogoliubov转换来分析求解，并具有从正常到超级阶段的二阶相变，其基态下具有非变化的光子密度[24]。虽然DICKE模型的一部分是由任意数量的旋转组成的，但在没有光结合相互作用的情况下，它会分解为非相互作用的问题，因为局部自由度仅通过腔体耦合，从而使其易于解决。一个典型的例子是Dicke-asision模型，其中最近的邻居旋转之间存在额外的ISININ相互作用。首先，在第二节。sec。sec。To make the composite system more interesting, various generalizations for the Dicke model were proposed and discussed, like more complex local spin structures [ 25 ] , multi-mode cavities [ 24 , 26 , 27 ] , non-Hermitian generalizations [ 28 ] , open systems [ 29 , 30 ] , altered light- matter interactions [ 31 , 32 ] , non-equilibrium systems [ 33 ] , and added matter-matter interac- tions between the spins [ 2 , 34，35]。使用均值场和自由度自由度的经典近似，Zhang等人。在物质部分[2]中找到了包括抗铁磁相的抗铁磁相互作用的丰富相图，其中包括抗铁磁相和顺磁相[2]。然而，使用定量数值技术，在位置以及1D中的顺序中发现了相变的偏差[1，36]。在这项工作中，我们通过考虑对物质部分的更具概括的设置来详细说明，包括长距离跳跃和关联过程，并将其耦合到单个光模式。这使我们能够研究光 - 物质和物质 - 耦合引起的相关性与效果之间的相互作用。将自己限制在与消失的光质相互作用的情况下，我们通过将其映射到有效的dicke模型来建立了该模型低能部分的分析解决方案。这使我们能够在分析的非抗抑制阶段研究这种广义的dicke模型的低覆兴激励，包括缝隙的截止，可能诱导二阶相变。本文的结构如下。2我们介绍了一般框架工作，包括广义模型和推导有效DICKE模型的先决条件。后者是在亚基中完成的。2.2和2.3，首先给出一些物理直觉，如何解决系统，然后在操作员级别上进行一般推导。3，我们将一般发现应用于Dicke-asising模型，作为示例性情况。我们比较了在热力学极限中获得的结果，与有限系统上的精确对角线化（ED）和串联扩展方法PCST ++ [3]相比，以增强有效模型的有效性。sec。 4我们得出结论，并为潜在的研究方向提供前景。sec。4我们得出结论，并为潜在的研究方向提供前景。
Dicke 量子电池中的能量传输增强
我们从理论上研究了 Dicke 量子电池中充电功率的增强，该电池由耦合到单模腔光子的 N 个两能级系统 (TLS) 阵列组成。在 N 较小的极限下，我们解析地解决了完全充电过程的时间演化。发现驱动哈密顿量的特征向量是伪埃尔米特多项式，因此演化被解释为类似谐振子的行为。然后我们证明，在传输相同数量的能量时，使用集体协议的平均充电功率比并行协议大 N √ 倍。与之前的研究不同，我们指出这种量子优势不是源于纠缠，而是由于 TLS 之间的相干协同相互作用。我们的结果为 Dicke 电池的动态充电过程提供了直观的定量洞察，并且可以在真实的实验条件下观察到。
观察宏伟的dicke超级相变
Dasom Kim 1 , 2 , 3 † , Sohail Dasgupta 4 , † , Xiaoxuan Ma 5 , † , Joong-Mok Park 3 , Hao-Tian Wei 4 , Liang Luo 3 , Jacques Doumani 1 , 2 , Xinwei Li 6 , Wanting Yang 5 , Di Cheng 3 , 7 , Richard H. J. Kim 3 , Henry O. Everitt 2 , 8 , 9 , Shojiro Kimura 10 , Hiroyuki Nojiri 10 , Jigang Wang 3 , 7 , Shixun Cao 5 , ∗ , Motoaki Bamba 11 , Kaden R. A. Hazzard 4 , 8 , 12 , Junichiro Kono 2 , 4 , 8 , 13 , ∗
彭宁陷阱实验中实现的 Dicke 模型中的绝热性“砰砰”捷径
量子计量领域有可能大幅提高从标准量子极限到海森堡极限的测量精度。这些技术依赖于创建纠缠量子态的能力，并通过干涉法利用它们进行高精度测量。可以采用各种不同的技术来利用各种纠缠态的计量应用 [ 1 – 5 ] 。创建这些在计量上有用的状态通常是一项艰巨的任务。一种有前途的方法是绝热态制备，其中系统从一个简单的哈密顿量开始，该哈密顿量具有易于生成的产物态作为其基态，然后通过缓慢改变外部参数绝热演化到复杂哈密顿量的纠缠基态。挑战在于，与相关的最小能隙相比，绝热态制备必须缓慢进行，以减少演化过程中不必要的绝热激发。对于热力学极限中间隙消失的系统，有限系统的最小间隙通常与系统大小成反比，这使得绝热态准备对于较大的系统尤其困难。当前的量子模拟器无法使系统演化足够长的时间来完全执行此过程，因为它们受到退相干和技术噪声的限制。这种演化时间短的限制不可避免地会产生非绝热激发，这种激发可能非常显著，并会严重影响目标纠缠态的保真度。挑战在于在长时间尺度上进入的退相干误差和在短时间尺度上进入的非绝热激发之间找到平衡。该问题的一个潜在解决方案是绝热的捷径——系统以非绝热方式演化，以便在演化结束时进入纠缠基态。这些技术减少了总状态准备时间，这使得它们在处理退相干效应时具有吸引力。最近，该领域出现了许多理论突破 [ 6 – 8 ] 。一种基于向汉密尔顿量添加反非绝热场的技术可以保证系统演化到正确的纠缠基态。它通过在汉密尔顿量中添加一个辅助项来实现这一点，该辅助项旨在精确抵消将要发生的激发，确保系统始终保持在瞬时基态。该项的强度
b"摘要：Dicke 态是具有汉明权重 k 的 n 个量子比特的叠加，表示为 | D nk \xe2\x9f\xa9 。Dicke 态经常用于为量子搜索算法（例如，Grover 搜索和量子行走）准备输入叠加，这些算法解决具有一定数量 nk 个候选解的组合问题。B\xc2\xa8artschi 和 Eidenbenz 提出了一种具体的量子电路，用于使用多项式量子门构造 Dicke 态 | D nk \xe2\x9f\xa9，并且他们根据汉明权重 k 对该电路进行了推广，以准备 Dicke 态的叠加。随后，Esser 等人提出了另一种量子电路，用于使用多项式门和一些辅助量子比特生成 Dicke 态 | D nk \xe2\x9f\xa9。在本文中，我们推广了 Esser 的状态准备电路以构造一个Dicke 态的叠加。我们对两个广义 Dicke 态准备电路进行了具体的比较。我们使用来自 IBM 量子体验服务 (IBMQ) 的真实量子机器进行噪声模拟和实验。这两个电路都使用噪声中尺度量子 (NISQ) 设备成功构建了广义 Dicke 态叠加，尽管受到噪声的影响。”
b"摘要：Dicke 态是具有汉明权重 k 的 n 个量子比特的叠加，表示为 | D nk \xe2\x9f\xa9 。Dicke 态经常用于为量子搜索算法（例如，Grover 搜索和量子行走）准备输入叠加，这些算法解决具有一定数量 nk 个候选解的组合问题。B\xc2\xa8artschi 和 Eidenbenz 提出了一种具体的量子电路，用于使用多项式量子门构造 Dicke 态 | D nk \xe2\x9f\xa9，并且他们根据汉明权重 k 对该电路进行了推广，以准备 Dicke 态的叠加。随后，Esser 等人提出了另一种量子电路，用于使用多项式门和一些辅助量子比特生成 Dicke 态 | D nk \xe2\x9f\xa9。在本文中，我们推广了 Esser 的状态准备电路以构造一个Dicke 态的叠加。我们对两个广义 Dicke 态准备电路进行了具体的比较。我们使用来自 IBM 量子体验服务 (IBMQ) 的真实量子机器进行噪声模拟和实验。这两个电路都使用噪声中尺度量子 (NISQ) 设备成功构建了广义 Dicke 态叠加，尽管受到噪声的影响。”
通过测量 Dicke 模型中保真度非时序相关器统一扰乱、热化和纠缠
加扰是存储在局部自由度中的信息扩散到量子系统的多体自由度的过程，从而无法被局部探测器访问，并且显然会丢失。加扰和纠缠可以调和看似不相关的行为，包括孤立量子系统的热化和黑洞中的信息丢失。在这里，我们证明保真非时序相关器 (FOTOC) 可以阐明加扰、纠缠、遍历性和量子混沌（蝴蝶效应）之间的联系。我们为典型的 Dicke 模型计算了 FOTOC，并表明它们可以测量子系统 Rényi 熵并提供有关量子热化的信息。此外，我们说明了为什么 FOTOC 可以在没有有限尺寸效应的混沌系统中实现量子和经典 Lyapunov 指数之间的简单关系。我们的研究结果为实验性使用 FOTOC 探索加扰、量子信息处理的界限以及可控量子系统中黑洞类似物的研究开辟了道路。
![arxiv：2409.15082v1 [cond-mat.str-el] 23 Sep 2024](/simg/g:\will\search\icon\source\2\247f932f2888412a9325221e693eed41be0d7f5b.webp)
arxiv：2409.15082v1 [cond-mat.str-el] 23 Sep 2024
通过量子蒙特卡洛模拟，我们获得了对光 - 物质相互作用对相关量子物质的影响的定量见解。我们为范式dicke-asising模型引入了一种虫洞算法，该模型结合了dicke模型的光结合与Ising intractions的相互作用。确定了链和平方晶格上铁和抗铁磁相互作用的量子相图。出现的超级级相变与DICKE模型相同的普遍性类别，导致了众所周知的特殊有限尺寸缩放缩放，我们根据缩放尺寸的缩放范围高于临界维度。对于铁磁案例，正常和超级阶段之间的跃迁是二阶的，对于由多个临界点隔开的大（小）纵向场的dicke Critical（一阶）。对于抗铁质磁相互作用，我们建立了带有非对角线超级和对角线磁性的晶格超固体的光 - 晶格类似物，并确定所有过渡线的性质。