 |
Thermalization in non-equilibrium quantum systems
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
118028 |
| Type |
SNN |
| Principal investigator |
Zaránd, Gergely Attila |
| Title in Hungarian |
Termalizáció nem egyensúlyi kvantumrendszerekben |
| Title in English |
Thermalization in non-equilibrium quantum systems |
| Keywords in Hungarian |
termalizáció, kvantum dinamika |
| Keywords in English |
thermalization, quantum dynamics |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Quantum field theory |
|
| Panel |
Physics |
| Department or equivalent |
Department of Theoretical Physics (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Dóra, Balázs
Kormos, Márton
Lovas, Lia Izabella
Pascu Moca, Catalin
Pozsgai, Balázs Sándor
Szalkai, Dóra
Takács, Gábor
Vajna, Szabolcs
Werner, Miklós Antal
|
| Starting date |
2016-07-01 |
| Closing date |
2020-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
31.001 |
| FTE (full time equivalent) |
14.22 |
| 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 közelmúltbeli technológiai fejlemények – különösen a csapdázott ultrahideg atomok területén – lehetővé tették közel zárt, kölcsönható nem egyensúlyi kvantum rendszerek dinamikájának közvetlen kísérleti vizsgálatát. Így lehetővé vált a kvantum statisztikus mechanika olyan alapvető fogalmainak kísérleti analízise és vizsgálata, mint a termalizáció, azaz az egyensúly felé való fejlődés, annak feltételei és mechanizmusa, az entrópia generálás, az integrálhatóság szerepe és sérülésének hatásai a termalizáció során, vagy az áramot fenntartó stacionárius állapotok struktúrájának vizsgálata, illetve a kívülről vezérelt kvantum rendszerek viselkedésnek részletes elemzése.
A javasolt kutatás ezen kérdések elméleti vizsgálatát, illetve az ehhez szükséges új elméleti módszerek fejlesztését tűzi ki célul. Ezt a célt a szlovén illetve magyar partnerek egymást kiegészítő tudására támaszkodva, intenzív együttműködést kialakítva tesszük, doktoranduszokat és hallgatókat vonva be mindkét oldalon a kutatásba. A kifejlesztendő új numerikus módszereket (szemi-szemiklasszikus elmélet, nem-ábeli time evolving block decimation, Liouville-térbeli DMRG) egymással és analítikus módszerekkel kívánjuk összevetni, és olyan kölcsönható rendszerekre és modellekre alkalmazni, melyek közvetlenül tanulmányozhatók ultrahideg atomi rendszerekben.
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.
A tanulmányozni kívánt alapkérdések a következők:
- Termalizálódnak-e a különféle rendszerek, és milyen feltételek mellett? Hogyan közelítik meg a termikus egyensúlyt, mitől függnek a jellemző relaxációs idők?
- Mi a különféle (lokális, kvázilokális, nemlokális) megmaradó mennyiségek szerepe?
- Hogyan alakulnak ki nem termikus, például áramot fenntartó stacionárius állapotok, milyen ezeknek a dinamikai struktúrája, és mi az ilyen állapotok kapcsolata a külső erők által vezérelt rendszerek fizikájával?
- Mi az integrálhatóság illetve az integrálhatóság sérülésének pontos szerepe a termalizáció során?
- Milyen új dinamikai jelenségek figyelhetők meg a termalizáció során?
Ezeknek a kérdéseknek a megválaszolásához kivánunk az együttműködés keretén belül új módszereket fejleszteni, és
kísérletileg megvalósított korrelált rendszerekre, így például
- erősen kölcsönható Bose gázokra,
- kvantum spin láncokra, valamint
- kondenzált anyagi rendszerek (szén nanocsövek, szerves órásmolekulák, szupravezető kvantum drótok)
nagy mértékben univerzális leírását adó kvantumtérelméletekre alkalmazni.
Végső célunk tehát megfigyelhető kísérleti jelenségek leírása.
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 kölcsönható kvantum-rendszerek dinamikájának valamint a környezettel való kölcsönhatásának leírása és megértése alapvető fontosságú skálázható kvantum-számítások és kvantum-szimulációk megvalósításához. Jelenleg azonban az első, és legalapvetőbb kérdések is megválaszolatlanok. Bár triviális nem kölcsönható rendszerekre sok eredmény ismert, analitikus és numerikus eszközök hiányában jelenleg nem értjük pontosan, hogy hogyan viselkedik egy magára hagyott kvantum rendszer, hogyan fejlődik az egyensúlyi állapot vagy egy stacionárius állapot felé, illetve mikor nem jut el oda. Míg kísérleti oldalon már aránylag egyszerűen vizsgálható egy ultrahideg atomi rendszer nem egyensúlyi dinamikája, az elméleti számítások többsége csak nagyon rövid időskálákon képes eredményt szolgáltatni. Nem tisztázott a megmaradó mennyiségek és az integrálhatóság illetve annak sérülésének szerepe, nincs kielégítő leírása az ún. pretermalizált állapotnak, és nemegyensúlyi stacionárius állapotok kialakulása illetve belső dinamikai tulajdonságai is nagymértékben ismeretlenek még a legegyszerűbb, 1+1 dimenziós kvantumrendszerekben is.
Kutatásunk ezeknek az alapvető fontosságú kérdéseknek a megválaszolására irányul. Az együttműködés során olyan numerikus és térelméleti módszereket igyekszünk fejleszteni, melyek alkalmasak a dinamikai folyamatok pontosabb és nagyobb időskálákon való megértésére, és ezek eredményeit a kísérletek számára fontos rendszereken kívánjuk tesztelni.
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.
A mikroelektronika fejlődése valamint a csapdázott ultrahideg atomok hihetetlen kontrollja mára lehetővé tette, hogy kiaknázzuk a kvantummechanika törvényeit, és olyan kvantummechanikai rendszereket hozzunk létre, melyek alkalmasak
a kvantum-kriptográfia, a kvantum-számítások, illetve a kvantum szimulációk megvalósítására. Az ilyesfajta alkalmazások szempontjából alapvető fontosságú környezetüktől elzárt rendszereket létrehozni, és időfejlődésüket manipulálni.
Ezek az egzotikus kvantum rendszerek ugyanakkor alkalmasok arra is, hogy a fizika legalapvetőbb kérdéseit tanulmányozzuk: mi történik, ha egy kvantum rendszer egyensúlyon kívüli állapotba kerül, eljut-e valamilyen stacionárius állandósult állapotba, és ha igen, milyen ez az állapot? Milyen sokáig tart elérni a stacionárius állapotot, és lehetséges-e, hogy a rendszer csapdába esik, és nem ér el oda? Hogyan befolyásolja a környezet jelenléte az időfejlődést? Meglepő módon ezekre a kérdésekre nem ismerjük a pontos választ csak néhány esetben, és a jelenleg rendelkezésre álló elméleti fizikai eszközök korlátozottak. Ebben a szlovén-magyar együttműködésben három kutatócsoport tesz kísérletet arra, hogy válaszoljanak ezekre a kérdésekre a kutatás során együttes erővel olyan módszereket kidolgozva, melyek alkalmasak a kölcsönható kvantum-rendszerek időfejlődésének leírására, és csapdázott ultrahideg atomi kísérletek értelmezésére. Kutatásunk egyfelől a modern elméleti és kísérleti fizika homlokterében áll, másfelől a technológiai fejlődéshez járul jelentősen hozzá.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Recent technological developments -- especially in the field of trapped ultra cold atoms -- have made possible the direct experimental study of the dynamics of (almost) closed interacting quantum systems out of equilibrium. This allows experimental study and analysis of fundamental problems of quantum statistical mechanics, such as thermalisation (ie. evolution towards equilibrium), its conditions and mechanism, the generation of entropy, the effects of integrability and its breaking, the structure of current carrying steady states, and detailed analysis of the behaviour of driven quantum systems.
The proposed research aims at a theoretical exploration of these problems, and the development of the necessary new theoretical methods. This is based on the complementary expertise of the Slovenian and Hungarian partners, within an intensive cooperation, involving PhD and MSc students in the work on both sides.
The methods we plan to develop (semi-semiclassical theory, non-Abelian time evolving block decimation, Liouville-space DMRG) are to be compared to each other and analytical methods. We shall apply them to interacting systems and models directly realizable with trapped ultracold atoms.
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.
The fundamental questions we aim to explore are:
- Do various systems thermalize and under what conditions? How the thermal state is approached, and what determines the characteristic relaxation times-scales?
- What is the role of various types of conserved quantities (local, quasi-local, non-local etc.) in the process?
- How do non-thermal steady states, such as ones supporting nonzero currents, form. What is the dynamical structure of such states, and how are they related with the physics of systems driven by external forces?
- What is the the precise role of integrability and its breaking in the thermalization process?
- New dynamical phenomena observable during thermalization.
Our collaboration is aimed at developing new methods to answer the above questions, and to apply them to experimentally relaized
strongly correlated systems, such as e.g.
- strongly interacting Bose gases,
- quantum spin chains, and
- quantum field theories providing a largely universal long-distance description of condensed matter systems (carbon nanotubes, organic macromolecules, superconducting quantum wires).
Our final goal is to describe experimentally observable phenomena.
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.
Understanding and modelling the dynamics of interacting quantum systems and their interaction with the environment is crucial for developing scalable realizations of quantum computing and simulation. However, presently even the very first and fundamental problems are unsolved. Although a lot of results are known for trivial, non-interacting systems, due to lack of suitable analytic and numerical methods we do not presently understand precisely the behaviour of an isolated quantum system, its evolution towards an equilibrium or a steady state, and conditions under which such a state may or may not be reached. While the experimental study of the non-equilibrium dynamics of a cold atomic system is already quite simple, most of the theoretical methods can only give results for very short time scales. The role of conserved quantities, integrability and its breaking is not clarified, there exists no satisfactory description of the so-called prethermalized state. In the case of non-equlibrium steady states , their formation and internal dynamics is to a large extent unknown even in the simplest 1+1 dimensional quantum systems.
Our research is aimed at answering these fundamental questions. In the course of our collaboration we plan to develop numerical and field theoretic methods which allow understanding dynamical processes more precisely and on longer time scales, and to test our results on systems relevant for experiments.
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.
Development of microelectronics and very precise control of trapped ultracold atoms has made it possible to exploit the laws of quantum mechanics to create quantum systems that can realize quantum cryptography, quantum computing and quantum simulations. For these applications it is fundamental to create systems isolated from their environment, and the ability to manipulate their time evolution.
Such exotic quantum systems also make possible to explore some of the most fundamental questions of physics: what happens if a quantum system is brought out of equilibrium? Does it reach some stationary state, and if yes, how this state can be characterised? How long does it take to reach the stationary state? Can the system be trapped and so prevented from reaching it? How does the environment influence the time evolution? Surprisingly, the precise answer to these questions is only known in a few examples, and the presently available theoretical tools are too limited to make progress.
In this Slovenian-Hungarian collaboration three research groups attempt to answer these issues by joining their forces, developing methods that are capapble to describe the time evolution of interacting quantum systems, and the interpretation of experiments with trapped ultracold atoms. On the one hand, our research is at the forefront of modern theoretical experimental physics; on the other hand, it contributes significantly to future technological progress.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| I. Lovas, B. Dóra, E. Demler, G. Zaránd: Quantum fluctuation induced time of flight correlations of an interacting trapped Bose gas, Phys.Rev. A 95, 023625, 2017 | | Catalin Pascu Moca, Marton Kormos, Gergely Zarand: Semi-semiclassical theory of quantum quenches in one dimensional systems, submitted to Physical Review Letters, arXiv:1609.00974, 2017 | | I. Lovas, B. Dóra, E. Demler, G. Zaránd: Full counting statistics of time of flight images, Phys.Rev. A 95, 053621, 2017 | | I. Lovas, J. Fortágh, E. Demler, G. Zaránd: Entanglement and entropy production in coupled single-mode Bose-Einstein condensates, submitted to Phys. Rev. A, arXiv:1706.04571, 2017 | | Balázs Dóra, Miklós Antal Werner, Catalin Pascu Moca: Information scrambling at an impurity quantum critical point, submitted to Phys. Rev. Lett., arXiv:1703.09465, 2017 | | B. Dóra, I. Lovas, F. Pollmann: Distilling momentum-space entanglement in Luttinger liquids at finite temperature, submitted to Phys. Rev. Lett., arXiv: 1610.03967, 2017 | | Catalin Pascu Moca, Marton Kormos, Gergely Zarand: Hybrid semiclassical theory of quantum quenches in one dimensional systems, Phys. Rev. Lett. 119, 100603, 2017 | | I. Lovas, J. Fortágh, E. Demler, G. Zaránd: Entanglement and entropy production in coupled single-mode Bose-Einstein condensates, Phys. Rev. A 96, 023615, 2017 | | Balázs Dóra, Miklós Antal Werner, Catalin Pascu Moca: Information scrambling at an impurity quantum critical point, Phys. Rev. B 96, 155116, 2017 | | B. Dóra, I. Lovas, F. Pollmann: Distilling momentum-space entanglement in Luttinger liquids at finite temperature, Phys. Rev. B 96, 085109, 2017 | | Szabolcs Vajna, Katja Klobas, Tomaž Prosen, and Anatoli Polkovnikov: Replica resummation of the Baker-Campbell-Hausdorff series, Phys. Rev. Lett. 120, 200607, 2018 | | M. Kormos, C. P. Moca, G. Zaránd: Semiclassical theory of front propagation and front equilibration following an inhomogeneous quantum quench, Submitted to Phys. Rev. E, 2017 | | Miklós Antal Werner, Eugene Demler, Alain Aspect, and Gergely Zaránd: Article | OPEN | Published: 26 February 2018 Selective state spectroscopy and multifractality in disordered Bose-Einstein condensates: a numerical study, Scientific Reports 8, 3641, 2018 | | D. X. Horvath, M. Kormos, G. Takacs: Overlap singularity and time evolution in integrable quantum field theory, Submitted to J. Stat. Phys., 2018 | | I. Kukuljan, S. Sotiriadis, G. Takacs: Correlation functions of the quantum sine-Gordon model in and out of equilibrium, submitted to Phys. Rev. Lett., 2018 | | Markus Heyl, Frank Pollmann, Balázs Dóra: Detecting equilibrium and dynamical quantum phase transitions in Ising chains via out-of-time-ordered correlators, Phys. Rev. Lett. 121, 016801, 2018 | | Balázs Dóra and Roderich Moessner: Out-of-Time-Ordered Density Correlators in Luttinger Liquids, Phys. Rev. Lett. 119, 026802, 2017 | | M. Kormos, C. P. Moca, G. Zaránd: Semiclassical theory of front propagation and front equilibration following an inhomogeneous quantum quench, Phys. Rev. E 98, 032105, 2018 | | I. Kukuljan, S. Sotiriadis, G. Takacs: Correlation functions of the quantum sine-Gordon model in and out of equilibrium, Phys. Rev. Lett. 121, 110402, 2018 | | Miklós Antal Werner, Cătălin Paşcu Moca, Örs Legeza, Márton Kormos, Gergely Zaránd: Spin fluctuations after quantum quenches in the S=1 Haldane chain: Numerical validation of the semi-semiclassical theory, Phys. Rev. B 100, 035401, 2019 | | Bruno Bertini, Lorenzo Piroli, Márton Kormos: Transport in the sine-Gordon field theory: from generalized hydrodynamics to semiclassics, Phys. Rev. B 100, 035108, 2019 | | Dávid X. Horváth, Izabella Lovas, Márton Kormos, Gábor Takács, Gergely Zaránd: Nonequilibrium time evolution and rephasing in the quantum sine-Gordon model, Phys. Rev. A 100, 013613, 2019 | | Márton Kanász-Nagy, Yuto Ashida, Tao Shi, Cătălin Paşcu Moca, Tatsuhiko N. Ikeda, Simon Fölling, J. Ignacio Cirac, Gergely Zaránd, Eugene A. Demler: Exploring the anisotropic Kondo model in and out of equilibrium with alkaline-earth atoms, https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.97.155156, 2018 | | Miklós Antal Werner, Arne Brataas, Felix von Oppen, Gergely Zaránd: Universal Scaling Theory of the Boundary Geometric Tensor in Disordered Metals, Phys. Rev. Lett. 122, 106601, 2019 | | Mario Collura, Márton Kormos, Gábor Takács: Dynamical manifestation of Gibbs paradox after a quantum quench, Phys. Rev. A 98, 053610, 2018 | | Dávid X. Horváth, Márton Kormos, Gábor Takács: Overlap singularity and time evolution in integrable quantum field theory, JHEP 08, 170, 2018 | | Kristóf Hódsági, Márton Kormos, Gábor Takács: Quench dynamics of the Ising field theory in a magnetic field, SciPost Phys. 5, 027, 2018 | | G. Z. Fehér, B. Pozsgay: The propagator of the finite XXZ spin-12 chain, SciPost Phys. 6, 063, 2019 | | G. Z. Fehér and B. Pozsgay: Generalized Gibbs Ensemble and string-charge relations in nested Bethe Ansatz, SciPost Phys. 8, 034, 2020 | | I. Kukuljan, S. Sotiriadis, and G. Takács: Out-of-horizon correlations following a quench in a relativistic quantum field theory, J. High Energ. Phys. 2020, 224, 2020 | | Kristóf Hódsági, Márton Kormos & Gábor Takács: Perturbative post-quench overlaps in quantum field theory, J. High Energ. Phys. 2019, 47, 2019 | | Izabella Lovas, András Grabarits, Márton Kormos, and Gergely Zaránd: Theory of quantum work in metallic grains, Phys. Rev. Research 2, 023224, 2020 | | Ádám Bácsi, Cătălin Paşcu Moca, and Balázs Dóra: Dissipation-Induced Luttinger Liquid Correlations in a One-Dimensional Fermi Gas, Phys. Rev. Lett. 124, 136401, 2020 | | Zoltán Okvátovity and Balázs Dóra: Out-of-time-ordered commutators in Dirac–Weyl systems, Phys. Rev. B 101, 245125, 2020 | | Bruno Bertini, Lorenzo Piroli, Márton Kormos: Transport in the sine-Gordon field theory: from generalized hydrodynamics to semiclassics, Phys. Rev. B 100, 035108, 2019 | | Miklós Antal Werner, Arne Brataas, Felix von Oppen, Gergely Zaránd: Universal Scaling Theory of the Boundary Geometric Tensor in Disordered Metals, Phys. Rev. Lett. 122, 106601, 2019 | | Ilanit Shapir, Assaf Hamo, Sharon Pecker, Catalin Pascu Moca, Örs Legeza, Gergely Zarand, Shahal Ilani: Imaging the Wigner Crystal of Electrons in One Dimension, Science 364, 870 (2019), 2019 | | Ádám Bácsi, Cătălin Paşcu Moca, and Balázs Dóra: Dissipation-Induced Luttinger Liquid Correlations in a One-Dimensional Fermi Gas, Phys. Rev. Lett. 124, 136401, 2020 | | Miklós Antal Werner, Cătălin Paşcu Moca, Örs Legeza, and Gergely Zaránd: Quantum quench and charge oscillations in the SU(3) Hubbard model: A test of time evolving block decimation with general non-Abelian symmetries, Phys. Rev. B 102, 155108, 2020 | | Gianluca Lagnese, Federica Maria Surace, Márton Kormos, Pasquale Calabrese: Confinement in the spectrum of a Heisenberg-Ising spin ladder, Journal of Statistical Mechanics 9, 093106, 2020 | | Haiyuan Zou, Y. Cui, X. Wang, Z. Zhang, J. Yang, G. Xu, A. Okutani, M. Hagiwara, M. Matsuda, G. Wang, G. Mussardo, K. Hódsági, M. Kormos, Z. Z. He, S. Kimura, Rong Yu, Weiqiang Yu, Jie Ma, Jianda Wu: Exceptional E8 symmetry in spin dynamics of quasi-one-dimensional antiferromagnet BaCo2V2O8, https://arxiv.org/abs/2005.13302, 2020 | | Ádám Bácsi, Catalin Pascu Moca, Gergely Zaránd, Balázs Dóra: Vaporization dynamics of a dissipative quantum liquid, Physical Review Letter (accepted for publication), 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
