Maestro Grant No. DEC-2019/34/A/ST2/00081\ of the Polish National Science Centre (NCN) (2020-2025)

Maestro Grant No. DEC-2019/34/A/ST2/00081
of the Polish National Science Centre (NCN) (2020-2025)

Project title:
"Fundamental problems and implementations of dissipative quantum engineering"
("Fundamentalne problemy i implementacje dyssypatywnej inżynierii kwantowej,")
Principal investigator:
prof. dr hab. Adam Miranowicz
Co-investigators:
prof. dr hab. Andrzej Grudka
prof. dr hab. Antoni Wójcik
prof. UAM dr hab. Karol Bartkiewicz
prof. UAM dr hab. Ravindra Witold Chhajlany
prof. UAM dr hab. Anna Kowalewska-Kudłaszyk
prof. UAM dr hab. Paweł Kurzyński
prof. UAM dr hab. Tomasz Polak
dr Grzegorz Chimczak
Ewelina Lange
at Adam Mickiewicz University in Poznań, Poland

last updated on Aug 11, 2020

Popular abstract

The topic of this project is the theoretical analysis of dissipative quantum engineering, i.e., the generation, coherent control, and detection of quantum states in quantum nonlinear systems allowing for losses and gain.
We focus on both fundamental aspects and implementations of such open quantum system dynamics. The latter is related to quantum technologies of the second generation, which process quantum information using quantum phenomena.
Decay mechanisms, which are present in open systems and, thus, in all real devices, deteriorate the performance of quantum technologies. However, our preliminary results show that it is possible to find cases where the decay is desirable and useful in quantum information processing.
We will try to find new ways to fully compensate for destructive effects of the decay or even to make the decay mechanisms playing a constructive role in quantum state engineering. Our approach is focused on dissipation-controlled quantum engineering of quantum analogs of standard (semiclassical) exceptional points (EPs), i.e., degeneracies of Hamiltonians describing non-Hermitian or PT-symmetric systems including the effect of quantum jumps (instantaneous switching between the energy levels of the system).
EPs have been attracting increasing interest, both theoretical and experimental, in diverse fields of physical research. EPs are considered the basis for novel enhanced sensing apparatus and are relevant to describe dynamical phase transitions and in the characterization of topological phases of matter in open systems. However, it seems that the research community interested in PT-symmetric systems and EPs for quantum sensing ignores the effect of quantum jumps. In addition to including quantum jumps, we propose to define quantum EPs as degeneracies of Liouvillian superoperators. To our knowledge analyzing eigenspectra of Liouvillians in the contexts of the standard EPs, EP sensing, and PT-symmetric systems is a largely unexplored field of research.
Quantum state engineering with dissipative nonlinear systems is a challenging problem also because such systems are often non-integrable. In this case it is useful to develop an algorithmic approach to dynamics in which one focuses not on equations of motion and notions like energy or momentum, but on iterative update rules and operational notions like change or translation. Thus, we will consider a concept of quantum cellular automata to simulate dynamics of dissipative quantum systems.
Due to our collaborations with experimental physicists, who already implemented similar systems in their laboratories, we hope to experimentally verify at least some of our ideas.

Popular abstract in Polish

Tematem projektu jest teoretyczna analiza dyssypacyjnej inżynierii kwantowej: generowania, spójnego sterowania i wykrywania stanów kwantowych w układach nieliniowych, w których uwzględnione są zarówno straty jak i wzmocnienia. Koncentrujemy się zarówno na aspektach fundamentalnych, jak i na przykładach praktycznych zastosowań takich układów w technologiach kwantowych drugiej generacji. Technologie te wykorzystują zjawiska kwantowe do przetwarzania informacji kwantowej. Tłumienie, które jest obecne w układach otwartych, a tym samym we wszystkich rzeczywistych urządzeniach, zazwyczaj pogarsza wydajność technologii kwantowych. W naszych wstępnych badaniach znaleźliśmy jednak przypadki, w których tłumienie jest pożądane i przydatne w przetwarzaniu informacji kwantowej.
W ramach projektu postaramy się znaleźć nowe sposoby pełnego skompensowania destrukcyjnych skutków tłumienia, a nawet sprawić, by odgrywało ono konstruktywna role w inżynierii stanu kwantowego. Nasze podejście skupia się na kontrolowanej dyssypacji w inżynierii kwantowych odpowiedników standardowych punktów wyjątkowych z uwzględnieniem skoków kwantowych.
Punkty wyjątkowe cieszą się coraz większym teoretycznym i eksperymentalnym zainteresowaniem w różnych dziedzinach badań fizycznych. Punkty wyjątkowe uważane są za podstawę dla nowej, ulepszonej aparatury detekcyjnej. Są one istotne w opisie dynamicznych przejść fazowych i charakterystyce topologicznych faz materii w układach otwartych. Naukowcy zaangażowani w badania nad układami PT-symetrycznymi zdają się jednak w zdecydowanej większości ignorować wpływ skoków kwantowych. Oprócz uwzględnienia skoków kwantowych, proponujemy zdefiniować kwantowe punkty wyjątkowe jako degeneracje superoperatorów Liouville’a. Zgodnie z naszą wiedzą, analizowanie widma liouvillianów w kontekście standardowych punktów wyjątkowych i ich zastosowań w czujnikach i w kwantowych układach PT-symetrycznych pozostaje zagadnieniem w dużej mierze niezbadanym.
Inżynieria stanów kwantowych w tłumionych układach nieliniowych stanowi wyzwanie również dlatego, że są one często niecałkowalne. Z tego powodu użyteczne jest opracowanie algorytmicznego podejścia do dynamiki. W takim ujęciu nie skupiamy się na równaniach ruchu i pojęciach takich jak energia czy pęd, ale na iteratywnych regułach aktualizacji stanu układu oraz pojęciach operacyjnych takich jak zmiana stanu czy przesunięcie. W związku z tym rozważymy koncepcje kwantowych automatów komórkowych do symulacji dynamiki tłumionych układów kwantowych.
Dzięki współpracy z eksperymentatorami, którzy stosowali już podobne układy w swoich laboratoriach, mamy nadzieje eksperymentalnie zweryfikować przynajmniej część naszych pomysłów.

Key concepts of quantum dissipative engineering (QDE)

Articles in chronological order

Publications

  1. F. Minganti, A. Miranowicz, R. W. Chhajlany, I. I. Arkhipov, F. Nori:
    Hybrid-Liouvillian formalism connecting exceptional points of non-Hermitian Hamiltonians and Liouvillians via postselection of quantum trajectories,
    Phys. Rev. A 101, 062112 (2020),  e-print arXiv:2002.11620 . [PDF] 
    (Published on 24 June 2020)
    Keywords: [quantum dissipative engineering], [quantum jumps], [quantum trajectories], [exceptional points], [non-Hermitian Hamiltonians], [Liouvillians], [driven dissipative qubit]
  2. Tymoteusz Salamon, Alessio Celi, Ravindra W. Chhajlany, Irénée Frérot, Maciej Lewenstein, Leticia Tarruell, and Debraj Rakshit:
    Simulating Twistronics without a Twist,
    Phys. Rev. Lett. 125, 030504 (2020) .
    (Published on 14 July 2020)
    Keywords: [quantum simulations],[twistronics]

Preprints

  1. Y.-H. Chen, W. Qin, X. Wang, A. Miranowicz, F. Nori:
    Shortcuts to Adiabaticity for the Quantum Rabi Model:
    Efficient Generation of Giant Entangled Cat States via Parametric Amplification,

    e-print arXiv:2008.04078 . [PDF] 
    Keywords: [quantum simulations],[Rabi model],[ultrastrong coupling (USC) of light and matter],[shortcuts-to-adiabatic dynamics]
  2. I. I. Arkhipov, A. Miranowicz, F. Minganti, F. Nori:
    Liouvillian exceptional points of any order in dissipative linear bosonic systems:
    Coherence functions and switching between PT and anti-PT symmetries,

    e-print arXiv:2006.03557 . [PDF]  . 
    Keywords: [quantum dissipative engineering], [quantum jumps], [quantum trajectories], [exceptional points], [non-Hermitian Hamiltonians], [Liouvillians], [driven linear systems]
  3. Y.-F. Jiao, Y. -L. Zhang, A. Miranowicz, L. -M. Kuang, H. Jing:
    Nonreciprocal Quantum Entanglement Against Backscattering,
    e-print arXiv:2002.11148 . [PDF] 
    Keywords: [quantum dissipative engineering], [nonreciprocal effects], [quantum entanglement], [quantum nonclassicality]
  4. C. Sánchez Munoz, A. F. Kockum, A. Miranowicz, F. Nori:
    Simulating ultrastrong-coupling processes breaking parity conservation in Jaynes-Cummings systems,
    e-print arXiv:1910.12875  (v2. 2020/04/21). [PDF] 
    Keywords: [quantum simulations],[ultrastrong coupling (USC) of light and matter]



File translated from TEX by TTHgold, version 4.00.
On 11 Aug 2020, 12:38.