Titelaufnahme

Titel
Atomic quantum simulators : detecting entanglement and designing open many-body dynamics / vorgelegt von Hannes Pichler
VerfasserPichler, Hannes
GutachterZoller, Peter
Erschienen2014
UmfangXVI, 183 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2014
Anmerkung
Enth. u.a. 6 Veröff. d. Verf. aus den Jahren 2012 - 2013 . - Zsfassung in dt. Sprache
Datum der AbgabeNovember 2014
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Quantensimulation / Kalte Atome / Optische Gitter / Verschränkung
Schlagwörter (EN)Quantum Simulation / Cold Atoms / Optical Lattices / Entanglement Measurement / Reservoir Engineering
Schlagwörter (GND)Vielteilchensystem / Verschränkter Zustand / Beugungsgitter
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschieden Aspekten von kalten Atomen in optischen Gittern.

Insbesondere liegt der Fokus auf Fragestellungen, die relevant für Quantensimulationen mit solchen Systemen sind. Motiviert durch experimentelle Fortschritte und Entwicklungen in diesem Forschungszweig werden Möglichkeiten aufgezeigt, hochverschränkte Zustände kalter Atome zu erzeugen und deren Verschränkungseigenschaften zu bestimmen.

Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Messung von Verschränkung in Vielteilchensystemen. Es werden Methoden entwickelt um Renyi-Entropien kalter Atome in optischen Gittern zu bestimmen. Zentrale Elemente sind dabei die Erzeugung und kontrollierte Kopplung mehrerer Kopien eines Quantenzustandes, sowie die gitterplatzaufgelöste Detektion von Atomen in optischen Gittern. Es werden die Grenzen der entwickelten Protokolle diskutiert und Auswirkungen experimenteller Fehler in zukünftigen Realisierungen solcher Messungen untersucht. Anhand numerischer Simulationen des Bose-Hubbard und des Fermi-Hubbard Modells wird illustriert, welche Möglichkeiten eine Entropiemessung im Kontext der Quantensimulation eröffnet.

Teil II dieser Arbeit untersucht Heizprozesse in optischen Gittern. Insbesondere liegt der Fokus auf Fluktuationen der Intensität des gittererzeugenden Lasers, welche zu Rauschen des optischen Potentials führen. Die entsprechenden Bewegungsgleichungen werden abgeleitet und mittels einer stochastischen Schrödingergleichung modelliert. Die induzierte Dynamik wird durch die Kombination von Lösungsmethoden stochastischer Differentialgleichungen und Techniken zur Beschreibung von Vielteilchen-Quantensystemen untersucht. Weiters wird gezeigt, wie man optische Potentiale entwerfen kann, welche robust gegenüber diesen Fluktuationen sind. Analoge Ideen können auch verwenden werden, um nicht nur zeitliche, sondern auch räumliche Inhomogenitäten zu korrigieren.

Teil III beschäftigt sich mit der dissipativen Erzeugung von Quantenzuständen. Insbesondere werden offene Spinsysteme mit chiraler Kopplung an ein kollektives eindimensionales Reservoir betrachtet. Es wird zeigt, dass die entsprechende dissipative Dynamik das System in einen reinen, verschränkten, stationären Zustand treiben kann.

Das Schlüsselelement ist dabei die Chiralität der Wechselwirkung zwischen System und Reservoir, die sich in einer asymmetrischen Kopplung der Spins an die Anregungen des Reservoirs verschiedener Ausbreitungsrichtungen widerspiegelt.

Neben einer theoretischen Analyse dieser offenen, getriebenen, wechselwirkenden Systeme, wird eine konkrete Realisierung einer chiralen System-Reservoir Wechselwirkung mit kalten Atomen vorgestellt. Die Chiralität des Reservoirs wird dabei über eine synthetische Spin-Orbit-Kopplung induziert.

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis addresses several aspects of cold atoms in optical lattices in the context of quantum simulation. Motivated by recent experimental progress and developments we propose ways to prepare highly entangled quantum states in a dissipative manner in these systems and develop methods to detect this entanglement.

Part I of this thesis explores the possibility to measure entanglement in many-body systems. In particular, we develop methods to measure Renyi entropies of cold atoms in optical lattices. The proposed protocols rely on the possibility to experimentally prepare copies of a quantum state in one or two dimensional optical lattices, couple them in a controlled way, and detect atoms in the lattice in a site-resolved way. We discuss the limits of such a measurement scheme, and quantify effects of experimental imperfections using numerical simulations.

On the example of the Bose-Hubbard model we show how such a measurement would, e.g.,reveal the entanglement growth in a quantum simulation of quench dynamics. Further, we study the interplay between thermal and entanglement entropy for a one dimensional Fermi-Hubbard model at finite temperature.

In the second part of this thesis we analyse heating of atoms in an optical lattice. In particular we focus on heating due to intensity fluctuations of the lasers forming the lattice, which result in noise on the lattice depth. We derive the corresponding equations of motion and model them in terms of stochastic Schr\"odinger equations. We analyse the induced dynamics by combing methods to solve stochastic differential equations with techniques to treat quantum many-body systems. Further we propose lattice setups that are resilient to this particular type of laser fluctuations, and show that the same techniques can be used to reduce spatial disorder in the potential.

In part III we explore the possibility to dissipatively generate pure quantum many-body states. We focus on one-dimensional systems with a chiral coupling to a collective reservoir and show that the chirality of the system, that is, the asymmetry in the coupling of the systems to reservoir modes propagating into different directions, can lead to situations in which the system is driven into pure multipartite entangled steady states. In addition to a discussion of the underlying mechanism from a quantum optical point of view we propose a specific realisation of a chiral system-bath interaction using cold atoms, where both, system and reservoir are represented by different atomic species. The chirality of the coupling is induced via a synthetic spin-orbit coupling of the reservoir atoms.