付記する学位プログラム名: 京都大学卓越大学院プログラム「先端光・電子デバイス創成学」 / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24402号 / 理博第4901号 / 新制||理||1700(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 川上 則雄, 教授 佐々 真一, 教授 高橋 義朗 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

In this Bachelor thesis project, the Lindblad master equation is derived, both as the most general way of modeling interaction with an environment that lacks memory, and through microscopic derivations focused on assumptions about the way the system interacts with its environment (weak-coupling, Born-Markov and rotating wave approximations). It is then applied to a two-level system (qubit).

Some physical systems exhibit topological properties in the form of topological invariants— features of the system that remain constant unless the system undergoessignificant changes i.e. changes that require closing the energy gap of the Hamiltonian.This work studies one example of a system with topological properties — a Kitaevchain. Here, this model is studied when it is coupled to an environment. We studythe effect of the coupling on the topology of the system and attempt to find signaturesof topological phases in the dynamics of the system. By using the Lindblad equationdefined in the formalism of third quantization, we study the time evolution of thesystem numerically by using the Euler method. We find that the dynamics of theentanglement spectrum of half of the chain is different in the topological and trivialphases: if the system undergoes a quench from trivial to topological phase, the entanglementspectrum exhibits crossings as the system evolves in time. We also studythe topological phases when disorder is added to the system. We test the stabilityof the topological phases of the system against disorder and find that the topologicalphases are not affected by a weak disorder. Moreover, by studying the statistics of theminimum entanglement spectrum gap, we find that, in general, a stronger disordermakes the crossings less likely to appear in the topological phase and more likely toappear in the trivial phase. / Det finns fysiska system som visar topologiska egenskaper i form av topologiska invarianter,som ändras inte så länge systemet genomgår ändringar som inte stängerHamiltonianens energigap. I det här arbetet undersöker vi ett exempel av ett systemmed topologiska egenskaper — en Kitaev kedja. Denna modell är studerat närden är kopplad till en omgivning. Vi undersöker kopplingens påverkan på systemetstopologi och vi försöker hitta tecken på topologiska faser i systemets dynamik. Vianvänder Lindblads ekvation definierat i tredje kvantiserings formalism för att studerasystemets tidsutveckling numeriskt, genom att använda Eulers metod. Vi upptäckeratt det finns skillnader i tidsutveckling av kvantsammanflätningsspektrumav häften av kedjan som beror på systems topologiska fas. Om systemet genomgåren kvantsläckning från den triviala till den topologiska fasen, kommer det finnas korsningari kvantsammanflätningensspektrum som uppstår under dess tidsutveckling.Dessutom studerar vi de topologiska faserna när det finns oordning i systemet. Viundersöker topologiska fasernas stabilitet mot oordning och upptäcker att en svagoordning påverkar inte de topologika faserna. Dessutom, genom att studera den minstakvantsammanflätningsspektrumsgap upptäcker vi att en starkare oordning ledertill kvantsammanflätningsspektrumskorsningar att vara mindre sannolika i den topologiskafasen och mer sannolika i den triviala fasen.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23731号 / 理博第4821号 / 新制||理||1689(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 谷村 吉隆, 教授 林 重彦, 教授 渡邊 一也 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

This dissertation is divided up into two parts, each examining a distinct theme. The rst part of our work concerns itself with open quantum systems and the relaxation phenomena arising from the repeated application of an interaction Hamiltonian on systems composed of quantum harmonic oscillators. For the second part of our work, we shift gears and investigate the wave propagation in left-handed media, or materials with simultaneously negative electric permeability and magnetic permeability . Each of these two parts is complete within its own context. In the rst part of this dissertation, we introduce a relaxation-generating model which we use to study the process by which quantum correlations are created when an interaction Hamiltonian is repeatedly applied to bipartite harmonic oscillator systems for some characteristic time interval . The two important time scales which enter our results are discussed in detail. We show that the relaxation time obtained by the application of this repeated interaction scheme is proportional to both the strength of interaction and to the characteristic time interval . Through discussing the implications of our model, we show that, for the case where the oscillator frequencies are equal, the initial Maxwell-Boltzmann distributions of the uncoupled parts evolve to a new Maxwell-Boltzmann distribution through a series of transient Maxwell-Boltzmann distributions, or quasi-stationary, non-equilibrium states. We further analyze the case in which the two oscillator frequencies are unequal and show how the application of the same model leads to a non-thermal steady state. The calculations are exact and the results are obtained through an iterative process, without using perturbation theory. In the second part of this dissertation, we examine the response of a plane wave incident on a at surface of a left-handed material, a medium characterized by simultaneously negative electric permittivity and magnetic permeability . We do this by solving Maxwell's equations explicitly. In the literature up to date, it has been assumed that negative refractive materials are necessarily frequency dispersive. We propose an alternative to this assumption by suggesting that the requirement of positive energy density can be relaxed, and discuss the implications of such a proposal. More speci cally, we show that once negative energy solutions are accepted, the requirement for frequency dispersion is no longer needed. We further argue that, for the purposes of discussing left-handed materials, the use of group velocity as the physically signi cant quantity is misleading, and suggest that any discussion involving it should be carefully reconsidered. / text

Usamos um modelo exatamente solúvel para calcular a dinâmica da fidelidade de uma computação baseada em medidas projetivas cujo sistema interage com um meio ambiente comum que insere erros de fase. Mostramos que a fidelidade do estado de Cluster canônico oscila como função do tempo e, como consequência, a computação quântica baseada em medidas projetivas pode apresentar melhores resultados computacionais mesmo para um conjunto sequencial de medidas lentas. Além disso, apresentamos uma condição necessária para que a dinâmica da fidelidade de um estado quântico geral apresente um comportamento não-monotônico. / We use an exact solvable model to calculate the gate fidelity dynamics of a measurement-based quantum computation that interacts with a common dephasing environment. We show that the fidelity of the canonical cluster state oscillates as a function of time and, as a consequence, the measurement-based quantum computer can give better computational results even for a set of slow measurement sequences. Furthermore, we present a necessary condition to the fidelity dynamics of a general quantum state presents a non-monotonical shape.

Fenômenos que ocorrem a tempos curtos em sistemas quânticos abertos são caracterizados por possuírem um tempo característico de uma ordem muito menor que o tempo de relaxação do sistema. Como exemplos podemos citar o efeito de decoerência, que em resumo tenta explicar como a natureza quântica de um sistema é perdida ao longo da interação com o ambiente e o fenômeno de superradiância, onde estuda-se como alguns sistemas emitem um pulso energético muito rápido gerando um pico de intensidade fino localizado muito antes da relaxação do sistema. O objetivo desse trabalho é não só estudar esses fenômenos mas como apresentar uma técnica alternativa para a quantificação das medidas associadas e de seus tempos característicos. A técnica apresentada se baseia em fazer uma expansão perturbativa no tempo para o operador densidade a partir de uma equação mestra quântica e com seu uso calcular grandezas físicas relevantes a fenômenos que ocorrem a tempos curtos. A simplicidade da técnica e seu uso abrangente são os principais fatores motivadores deste trabalho. / Short-time phenomena in open quantum systems are characterized by having a characteristic time of a much lower order than the relaxation time of the system. As examples we can mention the effect of decoherence, which in summary tries to explain how the quantum nature of a system is lost along the interaction with the environment and the superradiance phenomenon, where is studied how some systems emit a very fast energy pulse generating a peak of fine intensity located long before the relaxation of the system. The aim of this work is not only study these phenomena but to present an alternative technique for quantifying the associated measures and their characteristic times. The presented technique is based on making a perturbative expansion in time for the density operator from a quantum master equation and use it to calculate physical quantities relevant to phenomena occurring at short times. The simplicity of the technique and its widespread use are the main motivating factors of this work.

Na primeira parte deste trabalho empregamos a equação estocástica de Itô para obter uma interpretação generazilada de be-ables, que engloba dissipação, decoerência e a transição da dinâmica quântica para clássica. Ao escolher uma fonte de estocasticidade que leva à correção dissipativa da dinâmica hamiltoniana na forma de Lindblad, obtemos uma nova classe de trajetórias que incorpora às trajetórias de Bohm o termo difusivo presente na formulação de Nelson. Utilizando nossa formulação extendida dos be-ables identificamos o processo de decoerência e verificamos que este encontra-se em concordância com o formalismo quântico usual. Na segunda parte deste trabalho analisamos a dinâmica de um sistema quântico sob a competição de dois sistemas multimodais contra-atuantes: um atenuador ou reservatório térmico e um amplificador de Glauber. Mapeamos o comportamento dinâmico deste sistema, identificando diferentes regimes de parâmetros. Calculamos o processo de decoerência emergente da ação dos sistemas multimodais e discutimos aplicações para o nosso sistema. Na terceira parte deste trabalho, usamos a abordagem de campo médio para a obtençãoo da equação mestra que descreve o problema da superradiância sob a ação de flutuações térmicas do reservatório. Desejamos com isso explorar a possibilidade de se verificar o processo de ressonância estocástica no âmbito da superradiância. / In the first part of this work we employ the Itô stochastic equation to extend Bells be-able interpretation of quantum mechanics to encompass dissipation, decoherence and quantum-to-classical transition through quantum trajectories. For a particular choice of the source of stochasticity, the one leading to a dissipative Lindblad type correction to the Hamiltonian dynamics, we verify that the diffusive term in Nelson´s formalism is naturally incorporated into Bohm´s one, rendering a unified Bohm-Nelson theory. Mainly, analyzing the intereference between quantum trajectories, we clearly identify the decoherence time, as estimated from the usual quantum formalism. We also observe the quantum-to-classical transition through the convergence of the infinite possible quantum trajectories to their associated classical counterparts. In the second part of this work we analyze the dynamical behavior of a quantum system under the actions of two counteracting baths: the inevitable energy draining reservoir and, oppositly, an enginereed Glauber amplifier feeding the system excitation. We trace the system dynamics towards equilibrium to mapp its distinct behaviors following from the attenuation × amplification interplay. The decoherence process emerging from the action of both counteracting baths is also computed and, finally, applications of such an attenuation × amplification competition is discussed. Finally, in the third part of this work we employ the mean field approximation to derive the master equation describing the process of superradiant emission under the presence of thermal fluctuation. We envisage to explore the possibility of observe stochastic resonance within the superradiant process.

One of the main goals of the theory of open quantum systems is to devise methods which help preserve the quantum properties of a system interacting with its environment. One possible pathway to achieve this goal is to use non-Markovian reservoirs, characterized by information backflows and revivals of certain quantum properties. These reservoirs usually require advanced engineering techniques, which may turn their implementation impractical. In this dissertation we propose an alternative technique: the injection of a classical colored noise, which induces the desired quantum non-Markovianity. In order to do that, we investigate the dynamics of a quantum system interacting with its surrounding environment and under the injection of a classical stochastic colored noise. A time-local master equation for the system is derived by using the stochastic wave function formalism and functional calculus. Afterwards, the non-Markovianity of the evolution is detected by using the Andersson, Cresser, Hall and Li measure, which is based on the decay rates of the master equation in canonical Lindblad-like form. Finally, we evaluate the measure for three different colored noises and study the interplay between environment and noise pump necessary to induce quantum non-Markovianity, as well as the energy balance of the system. / Um dos objetivos principais da teoria de sistemas quânticos abertos é desenvolver métodos que ajudem a preservar as propriedades quânticas de um sistema interagindo com o ambiente. Um possível caminho para alcançar essa meta é usar reservatórios não-Markovianos, caracterizados por refluxos de informação e renascimento de certas propriedades quânticas. Esses reservatóris geralmente requerem o uso de técnicas avançadas de engenharia, o que pode tornar sua implementação impraticável. Nessa dissertação nós propomos uma técnica alternativa: a injeção de um ruído colorido clássico, o qual induz a desejada não-Markovianidade quântica. De modo a fazer isso, nós investigamos a dinâmica de um sistema quântico interagindo com o ambiente e sob a injeção de um ruído colorido clássico estocástico. Uma equação mestra local no tempo é derivada usando-se do formalismo da função de onda estocástica e de técnicas de cálculo funcional. Após isso, a não-Markovianidade da evolução é detectada através da medida de Andersson, Cresser, Hall e Li, a qual é baseada nos coeficientes da equação mestra na forma de Lindblad-like canônica. Finalmente, nós calculamos a medida para três diferentes ruídos coloridos e estudamos a relação entre o ambiente e o bombeio estocástico necessária para induzir não-Markovianidade quântica, assim como o balanço de energia do sistema.

Usamos um modelo exatamente solúvel para calcular a dinâmica da fidelidade de uma computação baseada em medidas projetivas cujo sistema interage com um meio ambiente comum que insere erros de fase. Mostramos que a fidelidade do estado de Cluster canônico oscila como função do tempo e, como consequência, a computação quântica baseada em medidas projetivas pode apresentar melhores resultados computacionais mesmo para um conjunto sequencial de medidas lentas. Além disso, apresentamos uma condição necessária para que a dinâmica da fidelidade de um estado quântico geral apresente um comportamento não-monotônico. / We use an exact solvable model to calculate the gate fidelity dynamics of a measurement-based quantum computation that interacts with a common dephasing environment. We show that the fidelity of the canonical cluster state oscillates as a function of time and, as a consequence, the measurement-based quantum computer can give better computational results even for a set of slow measurement sequences. Furthermore, we present a necessary condition to the fidelity dynamics of a general quantum state presents a non-monotonical shape.