 |
Open quantum system dynamics in the ultrastrong coupling regime
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
115624 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Domokos, Péter |
| Title in Hungarian |
Nyílt rendszerek kvantumdinamikája az ultraerős csatolás tartományában |
| Title in English |
Open quantum system dynamics in the ultrastrong coupling regime |
| Keywords in Hungarian |
kvantumoptika, rezonátoros kvantumelektrodinamika, kvantumfázisátalakulás, Bose-Einstein kondenzátum, diszkrét-folytonos rendszerek csatolása |
| Keywords in English |
quantum optics, cavity quantumelectrodynamics, quantum phase transitions, Bose-Einstein condensate, discrete-continuum systems coupling |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Quantum field theory |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Quantum Optics and Quantum Informatics Department (Wigner Research Centre for Physics) |
| Participants |
Darázs, Zoltán
Dombi, András
Griesser, Tobias
Jakab, Dávid
Kálmán, Orsolya
Kiss, Tamás
Kónya, Gábor
Nagy, Dávid
Sinkovicz, Péter
Szirmai, Gergely Zsolt
Vukics, András
|
| Starting date |
2015-11-01 |
| Closing date |
2020-10-31 |
| Funding (in million HUF) |
32.062 |
| FTE (full time equivalent) |
26.98 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kvantumoptikai és atomfizikai kísérletek technikájának az elmúlt évtizedekben bekövetkezett óriási fejlődése és a trükkös új módszerek elvezettek többféle olyan kvantumrendszerhez, amelyeket egyenként, a környezeti hatásoktól jól elszigetelve, nagy pontossággal manipulálhatunk, sőt, ezeket egymással kontrollált módon kölcsönhattathatjuk. A korábbi években már hozzáfogtunk hibrid rendszerek vizsgálatához, amelyekben tervezett kölcsönhatás létesíthető alkáli atomok Bose-Einstein kondenzátuma, optikai vagy mikrohullámú rezonátor sugárzási módusai, nanomechanikai rezgőrendszerek, vagy mezoszkópikus áramvezetők között. A kutatás folytatásában az ún. ultraerős csatolás tartományra fókuszálunk, ahol a kölcsönhatást jellemző frekvencia megközelíti, esetleg meghaladja a csupasz rendszerek karakterisztikus frekvenciáját. Az egyik fő elméleti feladat, hogy ebben a tartományban a fenomenologikus, néhány módus dinamikáját leíró modellek érvényességét a kvantumelektrodinamika alapjaiból kiindulva újra átgondoljuk, és a területen használt szokásos modelleinket várhatóan módosítanunk kell. Másik kitűzött célunk, hogy a leírást kiterjesszük olyan erősen vagy ultraerősen csatolt rendszerekre, amelyekben az egyik összetevő folytonos energiaspektrummal rendelkező sok szabadsági fokú rendszer. A ``színes’’ rezervoárral erősen kölcsönható nyílt kvantumrendszerek leírása általánosan, és a konkrét, vizsgálandó megvalósításokban is mélyebb elméleti megértést igényelnek. Ezért inhomogén kiszélesedett folytonos rendszerek kölcsönhatásának tanulmányozását tervezzük, például kvantumos kritikus jelenségekben, illetve a kvantummérés-elméletben.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Létrehozható-e —elvileg és gyakorlatilag— mesterséges, kontrollált kvantumoptikai rendszerekben ultraerős csatolás? Milyen modellek írják le ezt a tartományt a kvantumelektrodinamika alapjaival összhangban? Mik a dinamikai következményei az ultraerős csatolásnak? Milyen sajátosságokat mutatnak az olyan nyílt kvantumrendszerek, amelyek erősen csatolódnak a környezeti szabadsági fokokhoz? Hogyan illeszthetők bele a kvantummechanikai méréselméletbe az erősen csatolt mezoszkópikus rendszerek?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kvantummechanikai kísérletek eszköztára (‘bottom-up’ megközelítés) és a nanotechnológia (‘top-down’) az elmúlt évtizedek során sok nagyságrendet áthidaló fejlődésen ment keresztül mérettartományban és koherenciaidőben, így mára a határuk lényegében összeért. A kétféle technológia összekapcsolását célzó hibrid rendszerek tervezése azonban elméleti megalapozást igényel. Ugyanis a mikroszkópikus leírást nem lehet egyszerűen kiterjeszteni a környezeti hatások, illetve a nanotechnológiából integrált összetett rendszerek, úgymint optikai nanostruktúrák, óriásmolekulák, szilárdtestfizikai összetevők, stb. bonyolultsága miatt. Ezért van jelentősége annak, hogy mikroszkópikus szintű elméleti leírással azonosítjuk a releváns szabadsági fokokat és az ezek között kialakuló kölcsönhatást, amelyek végső soron meghatározzák a csatolt rendszerek dinamikai jellemzőit. Ezzel bepillantást nyerünk újszerű ``kvantumgépek’’ működésébe és tervezési lehetőségeibe.
Előrelépést jelent az újfajta kvantuminterfészek megalkotása, mivel ezek összekötik az erősen csatolt komponensekben külön-külön rejlő alkalmazási lehetőségeket. Például az alapállapotban kontrollált Bose-Einstein kondenzátumból kilépő atomok nagy hatásfokú számlálását átvihetjük elektromos áram vagy mechanikai rezgőmozgás pontos mérésére. A magneto-mechanikai csatolás és hasonlóképpen más hibrid interfészek lehetővé teszik az egyik részrendszer kontrollált manipulálását a másik rendszeren végzett tervezett méréssorozat visszahatásaként.
Mivel a mezoszkópikus rendszerek jelentős részének az energiaspektruma folytonos, hiánypótló munka ezen sok szabadsági fokú elemek diszkrét módusokhoz való erős csatolásának tanulmányozása. A vizsgálandó kölcsönhatási tartományban a szokásos disszipáción és nívóeltolódáson túlmenő memóriaeffektusokat lehet találni és a spektrális sűrűségfüggvény fő jellemzői alapján osztályozni.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az elmúlt két évtizedben robbanásszerű fejlődés történt a kvantumtechnológiában, azaz a kvantummechanika törvényeinek engedelmeskedő mikrovilágbeli objektumok, — úgymint atomok, molekulák, fotonok, szilárdtestben lokalizált elektronok, stb. - vizsgálata, kontrollált kezelése és alkalmazása területén. Ezekből az elemekből egyre nagyobb rendszerek építése a cél, amelyek a kvantummechanika különleges lehetőségeit kiaknázó alkalmazásokhoz vezetnek. A rendszer méretének növelésével azonban nem követhető tovább a mikroszkópikus szinten bevált leírás, és új elméleti alapokat kell teremteni a kvantumgépek tervezéséhez. A mi elméleti kutatásunk fő célkitűzése, hogy a fizika alapelvein nyugvó, egyszerű modelleket állítsunk fel, amelyek számot adnak az erősen csatolt kvantumos elemek működéséről. A modellek segítségével új jelenségeket kutatunk a mikroszkópikus kvantumvilág, illetve a klasszikus makroszkópikus világ mérettartományai között. Az ebben a tartományban talált effektusok egyrészt az együttműködő partnereinknél folyó kísérletek értelmezését szolgálják, másrészt újszerű alkalmazások kiindulópontjai lehetnek. Eredményeink hozzájárulnak ahhoz, hogy a kvantummechanika betörjön például a méréstechnikába vagy az optikai telekommunikációba.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The huge development over the past decades and the sophisticated new methods of quantum optics and atom physics experiments has led to various quantum systems which, being well isolated from the environment, can be manipulated individually to a high degree of precision; moreover, they can be brought into controlled interaction with each other. We have previously started to study hybrid systems in which there is a designed interaction between a Bose-Einstein condensate of alkali atoms, radiation field modes of an optical or microwave resonator, nanomechanical oscillators, or mesoscopic electronic conductors. We proceed with the research by focussing on the ultrastrong coupling regime which takes place when the characteristic interaction frequency approaches or even exceeds the eigenfrequency of the bare systems. One of the principal theoretical tasks consists in revisiting the validity of the few-mode phenomenological models in this coupling regime, rigorously on the basis of the foundations of quantum electrodynamics. We expect that some of the usual models need significant corrections. Our other aim is to extend the description to strongly or ultrastrongly coupled systems in which one of the components has many degrees of freedom with a continuous energy spectrum. Correct description of open quantum systems interacting strongly with a ``colored reservoir'', in general, and also in the specific realizations to be investigated, requires a deeper theoretical understanding. Therefore, we plan to study interacting inhomogeneously broadened systems, e.g., in quantum critical phenomena and in quantum measurements.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Is it possible, in principle and in practice, to create ultrastrong coupling in artificial, controlled quantum optical systems? What models describe this regime of interaction in accordance with the foundations of quantum electrodynamics? What specific features do open quantum systems exhibit when they are strongly coupled to environmental degrees of freedom? How can the strongly interacting mesoscopic systems be included in the quantum measurement theory?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The toolbox of quantum mechanical experiments (``bottom-up'' approach) and nanotechnology (``top-down'' approach) have undergone a huge development bridging over many orders of magnitude in size and coherence time, so that they reached a common border. Hybrid systems aiming at connecting the two technologies require a sound theoretical basis. The microscopic theory cannot be simply extended partly because of the environmental effects, but also due to the complexity of the nanotechnological systems to be integrated, such as the optical nanostructures, large molecules, solid-state components, etc. Therefore, it is important to identify the relevant degrees of freedom on the basis of a microscopical theory, and the interactions among them, which determine ultimately the dynamical features of the coupled systems. Thereby we gain insight into the design possibilities and the operation of ``quantum machines''.
The construction of novel quantum interfaces may be a significant progress, since they link together the applicability of the strongly coupled components. For example, the ability of counting atoms released from a Bose-Einstein condensate, controlled at the quantum mechanical ground state level with high-efficiency, can be transferred to the accurate measurement of mechanical vibrations or an electric current. The magneto-mechanical coupling or other similar interfaces enable the controlled manipulation of one of the subsystems by performing a designed sequence of measurements on the other one.
A significant part of mesoscopic systems has continuous energy spectrum; our planned study of such systems strongly coupled to discrete modes fills a theoretical gap. In the interaction regime to be investigated, memory effects beyond the usual dissipation and level shift can be found and, eventually, classified on the basis of the spectral density function.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The last two decades witnessed a breathtaking evolution in quantum technology, that is, in the investigation, controlled manipulation and application of micro-world objects, - such as atoms, molecules, photons, and localized electrons in a solid -, obeying the laws of quantum mechanics. The objective is the construction of larger and larger systems from these units, which can ultimately lead to applications exploiting the special possibilities of quantum mechanics. However, when we increase the system size, the description at a microscopic level is no longer possible and a new theoretical basis must be set up for the design of quantum machines. The aim of our theoretical research is to establish, on the basis of first principles of physics, simple models which account for the operation of strongly coupled quantum objects. With the help of these models, we explore new effects occurring on the border of the microscopic quantum world and the classical world. Effects in this domain, on the one hand, serve the interpretation of experimental observations at our collaborating partners. On the other hand, new results in this domain can start off the elaboration of novel applications. Our work contribute to the penetration of quantum mechanics further into, e.g., metrology or optical telecommunication.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Vukics A, Dombi A, Fink J, Domokos P: Finite-size scaling of the photon-blockade breakdown dissipative quantum phase transition, Quantum 3, 150, 2019 | | Kálmán O, Domokos P: Sensing microwave photons with a Bose-Einstein condensate, EPJ Quantum Technology 7:2, 2020 | | Kónya G, Nagy D, Szirmai G, Domokos P: Nonequilibrium polariton dynamics in a Bose-Einstein condensate coupled to an optical cavity, Physical Review A, accepted, 2018 | | Vukics A, Kónya G, Domokos P: The gauge-invariant Lagrangian, the Power-Zienau-Woolley picture, and the choices of field momenta in nonrelativistic quantum electrodynamics, arXiv.org, 2018 | | Vukics A, Dombi A, Fink J, Domokos P: Finite-size scaling of the photon-blockade breakdown dissipative quantum phase transition, arXiv.org, 2018 | | Vukics A, Domokos P: Infinitesimal multimode Bargmann-state representation, Journal of Russian Laser Research 39, 353-359, 2018 | | Kálmán O, Kiss T, Jex I: Sensitivity to Initial Noise in Measurement-Induced Nonlinear Quantum Dynamics, J. Russ. Laser Res. 39, 382-388, 2018 | | Malachov M, Kálmán O, Kiss T, Jex I: Phase Transition in Iterated Quantum Protocols for Noisy Inputs, arXiv.org, 2018 | | Pyshkin P, Gábris A, Kálmán O, Jex I, Kiss T: Quantum state identification of qutrits via a nonlinear protocol, arXiv.org, 2018 | | Kornyik M, Vukics A: The Monte Carlo wave-function method: a robust adaptive algorithm and a study in convergence, arXiv.org, 2018 | | Orsolya Kálmán, Peter Domokos: Sensing microwave photons with a Bose-Einstein condensate, arxiv.org, 2018 | | Federsel P, Rogulj C, Menold T, Darázs Z, Domokos P, Günther A, Fortágh J: Noise spectroscopy with a quantum gas, PHYS REV A 95: (4), 2017 | | Torres JM, Bernád JZ, Alber G, Kálmán O, Kiss T: Measurement-induced chaos and quantum state discrimination in an iterated Tavis-Cummings scheme, Phys Rev A 95, 023828, 2017 | | Kálmán O, Kiss T: Quantum state matching of qubits via measurement-induced nonlinear transformations, Phys. Rev. A 97, 032125, 2018 | | Jakab D, Szirmai G, Zimborás Z: The bilinear–biquadratic model on the complete graph, J. Phys A: Mathematical and Theoretical 51, 105201, 2018 | | Nagy D, Kónya G, Domokos P, Szirmai G: Quantum noise in a transversely-pumped-cavity Bose-Hubbard model, PHYSICAL REVIEW A 97, 063602, 2018 | | Kónya G, Nagy D, Szirmai G, Domokos P: Nonequilibrium polariton dynamics in a Bose-Einstein condensate coupled to an optical cavity, Physical Review A, 98, 063608, 2018 | | Vukics A, Dombi A, Fink J, Domokos P: Finite-size scaling of the photon-blockade breakdown dissipative quantum phase transition, Quantum 3, 150, 2019 | | Vukics A, Domokos P: Infinitesimal multimode Bargmann-state representation, Journal of Russian Laser Research 39, 353-359, 2018 | | Kálmán O, Kiss T, Jex I: Sensitivity to Initial Noise in Measurement-Induced Nonlinear Quantum Dynamics, J. Russ. Laser Res. 39, 382-388, 2018 | | Malachov M, Kálmán O, Kiss T, Jex I: Phase Transition in Iterated Quantum Protocols for Noisy Inputs, CHAOS 29, 033107, 2019 | | Gaoyan Zhu, Orsolya Kálmán, Kunkun Wang, Lei Xiao, Dengke Qu, Xiang Zhan, Zhihao Bian, T. Kiss and Peng Xue: Experimental orthogonalization of highly overlapping quantum states with single photons, Physical Review A 100, 052307, 2019 | | Kornyik M, Vukics A: The Monte Carlo wave-function method: a robust adaptive algorithm and a study in convergence, Computer Physics Communications 238, 88-101, 2019 | | Pyshkin P.V., Gábris A, Kálmán O, Jex I, Kiss T: Quantum State Identification of Qutrits via a Nonlinear Protocol, JOURNAL OF RUSSIAN LASER RESEARCH 39, 456-464, 2018 | | Kónya Gábor: Derivation of the Keldysh Path Integral from the Master Equation of a Harmonic Oscil- lator in a Thermal Bath Via Supercoherent States, Journal of Russian Laser Research 39, 473-483 (2018), 2018 | | Nagy D, Kónya G, Domokos P, Szirmai G: Quantum noise in a transversely-pumped-cavity Bose-Hubbard model, PHYSICAL REVIEW A 97, 063602, 2018 | | Torres JM, Bernád JZ, Alber G, Kálmán O, Kiss T: Measurement-induced chaos and quantum state discrimination in an iterated Tavis-Cummings scheme, Phys Rev A 95, 023828, 2017 | | Kálmán O, Kiss T: Quantum state matching of qubits via measurement-induced nonlinear transformations, arxiv.org, 2017 | | Jakab D, Szirmai G, Zimboras Z: The bilinear-biquadratic model on the complete graph, arxiv.org, 2017 | | Griesser T, Vukics A, Domokos P: Depolarization shift of the superradiant phase transition, PHYS REV A 94: (3), 2016 | | Kálmán O, Darázs Z, Brennecke F, Domokos P: Magnetic-noise-spectrum measurement by an atom laser in gravity, PHYS REV A 94: (3), 2016 | | Nagy D, Domokos P: Critical exponent of quantum phase transitions driven by colored noise, PHYS REV A 94: (6), 2016 | | Fink J M, Dombi A, Vukics A, Wallraff A, Domokos P: Observation of the Photon-Blockade Breakdown Phase Transition, PHYS REV X 7: (1), 2017 | | Federsel P, Rogulj C, Menold T, Darázs Z, Domokos P, Günther A, Fortágh J: Noise spectroscopy with a quantum gas, PHYS REV A 95: (4), 2017 | | Kálmán O, Kiss T: Quantum state matching of qubits via measurement-induced nonlinear transformations, Phys. Rev. A 97, 032125, 2018 | | Jakab D, Szirmai G, Zimborás Z: The bilinear–biquadratic model on the complete graph, J. Phys A: Mathematical and Theoretical 51, 105201, 2018 | | Griesser T, Vukics A, Domokos P: Depolarization shift of the superradiant phase transition, PHYS REV A 94: (3) , 2016 | | Kálmán O, Darázs Z, Brennecke F, Domokos P: Magnetic-noise-spectrum measurement by an atom laser in gravity, PHYS REV A 94: (3) , 2016 | | D. Nagy, P. Domokos: Critical exponent of quantum phase transitions driven by colored noise, https://arxiv.org/abs/1610.01124, 2016 | | Federsel P, Rogulj C, Menold T, Darázs Z, Domokos P, Günther A, Fortágh J: Noise spectroscopy with a quantum gas, PHYS REV A 95: (4) , 2017 | | Fink J M, Dombi A, Vukics A, Wallraff A, Domokos P: Observation of the Photon-Blockade Breakdown Phase Transition, PHYS REV X 7: (1) , 2017 | | Nagy D, Domokos P: Critical exponent of quantum phase transitions driven by colored noise, PHYS REV A 94: (6) , 2016 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
