Системи, редуцируеми до системи с две и три нива: ...

29
Системи, редуцируеми до системи с две и три нива: Декомпозиция на Морис-Шор Хаусхолдер трансформация

Upload: ciara-white

Post on 31-Dec-2015

59 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

Системи, редуцируеми до системи с две и три нива: Декомпозиция на Морис-Шор Хаусхолдер трансформация. Декомпозиция на Морис-Шор за системи с две нива. - изроденост на възбудено ниво. Морис-Шор трансформация. - изроденост на основно ниво. Светли състояния. Тъмни състояния. - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:

Декомпозиция на Морис-ШорХаусхолдер трансформация

Page 2: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Декомпозиция на Морис-Шор за системи с две нива

Page 3: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Трансформация на Морис-Шор (МШ) е възможна когато: всички взаимодействия са една и съща функция на

времето и когато имат еднакъв детунинг( )f t ( )t

a bN N

2 31

bN

( )f t

aN

bN

( )f t

Трансформация на МШ смесва състояния само от едно и също ниво:

1) Основните състояния на системата след трансформацията са суперпозиция само от основните състояния на системата преди МШ трансфомацията

2) Възбудените състояния на системата след трансформацията са суперпозиция само от възбудените състояния на системата преди МШ трансфомацията

Тъмни състояния

Светли състояния

-изроденост на основно ниво

-изроденост на възбудено ниво

Морис-Шор трансформация

( )t( )t

Page 4: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Морис-Шор трансформация

2J

1J

M

M 1 0 1

2 1 0 1 2

-изроденост на възбудено ниво

-изроденост на основно ниво

aN

bN

a bN NТъмни състояния

2 31

Светли състоянияbN

( )f t

( )f t

Page 5: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

aN

bN

( )f t

( ) ( ) ( )d

i C t H t C tdt

0 ( )( )

( ) ( )

V tH t

V t t

Имаме уравнението на Шрьодингер

За Хамилтониана

e матрица,( )V t b aN xN

е матрица,†( )V t a bN xN

е матрица( )t b bN xN

a bN N

2 31

bN

( )f t

( ) ( )MSC t SC t0

0a

b

SS

S

Матрици на МШ трасформатцията

aS a aN xNе константна матрица,

( ) ( ) ( )MS MS MSdi C t H t C tdt

bS b bN xN

Морис-Шор трансформация

Тъмни състояния

Светли състояния

-изроденост на възбудено ниво

-изроденост на основно ниво

( )t

Уравнение на Шрьодингер в МШ базиса

е константна матрица,

Page 6: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

††

0 ( )( ) ( )

( )MS M t

H t SH t SM t

Хамилтониана в МШ базиса

†( ) ( )a bM t S V t S

Разлагането на H на няколко независими системи с две нива изисква, след премахване на нулевите колони или редове, матрицата M да се редуцира (възможно е пренареждане на елементите) до диагонална матрица

† †( ) ( ) ( ) ( )a aM t M t S V t V t S† †( ) ( ) ( ) ( )b bM t M t S V t V t S

aS bS†( ) ( )V t V t †( ) ( )V t V t

и се дефенират така, че да диагонализират и

†( ) ( ) n n nV t V t u u † † †( ) ( )n n n nu V t V t u u u

† † † †( ( ) ) ( ( ) )n n n nV t u V t u u u† 0n nu u † † †( ( ) ) ( ( ) ) 0n nV t u V t u

0n 2n n

Но

Матрицата има същите собствени стойности като и допълнително нулеви собствени стойностиa bN N

†( ) ( )V t V t

Собствениете стойности на ( ) са неотрицателни†( ) ( )V t V t 2n

†( ) ( )V t V t

Page 7: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

0 ( )( )

( )n

nn

tH t

t

Each of these two-state Hamiltonians has the same detuningBut they have different Rabi frequencies ( )n t

It is important for MS transformation that the couplings share the same time dependence and have the same detuning ( )f t

† † 2 †( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ))a a a aM t M t S V t V t S f t S VV S

† † 2 †( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ))b b b bM t M t S V t V t S f t S V VS

If all couplings share the same time dependence then( )f t

Thus and areno time dependent

aS bS

† † †( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )a a a aM t M t S V t V t S S t V t V t S t

† † †( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )b b b bM t M t S V t V t S S t V t V t S t

If some couplings share different time dependence then

Thus and aretime dependent

aS bS

Which means that the MS basis changes with time.

Page 8: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

The three-level Morris-Shore (MS) transformation

A. A. Rangleov, N. V. Vitanov, B. W. Shore Phys. Rev. A 7, (2006)

Page 9: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

(1) (2) (3) (4) (5)

Morris-Shoretransformation

The quasi-two-level case

( )f t

( )f t

c

b d

a

a

( )f t

( )f t

( )f t

c

b

d

1) All couplings share the same time dependence 2) The two-photon resonances a-c and b-d are fulfilled Then one can carry out the MS factorization on the new degenerate two-level system, as displayed in the figure

( )f t

Page 10: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

The three-level Morris-Shore transformation

Morris-Shoretransformation

c

2 ( )f t

1( )f t (3)1

(2)1

(1)1

(2)2(1)

2

b

c

a

cc

b

2 ( )f t

1( )f t

b

a

bN

aN

cN

We search for a transformation that mixes only sublevels of a given level. Reducethe system of three degenerate levels to:several three level problems, several two state problems and possibleseveral dark states.

Page 11: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

1

†1 2

†2

0 0

( )

0

b

c

V

H t V V

V

1

† †1 2

†2

0 0

0

MSb

c

M

H SHS M M

M

The Hamiltonian in MS basis:

0 0

0 0

0 0

a

b

c

S

S S

S

Transformation matrix:

The Hamiltonian:

, and are constant square unitary matricesof dimensions , and respectively

aS bS cS

aN cNbN( ) ( )MSC t SC t

( ) ( ) ( )d

i C t H t C tdt

Schrödinger Equation:

Schrödinger Equation in MS basis:

( ) ( ) ( )MS MS MSdi C t H t C tdt

†1 1( ) ( )a bM t S V t S

†2 2( ) ( )b cM t S V t S

Page 12: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

The matrices and may have null rows; these correspond to dark states. The desired decomposition of into a set of independent two- or three-state systems requires that, after removing the null rows, and reduce (possibly after an appropriate relabeling) to diagonal matrices.

1M 2M

1M 2MH

† † †1 1 1 1( ) ( )a aM M S V t V t S diag † † †

1 1 1 1( ) ( )b bM M S V t V t S diag

† † †2 2 2 2( ) ( )c cM M S V t V t S diag

† † †2 2 2 2( ) ( )b bM M S V t V t S diag

Hence and are defined by the condition that they diagonalize and respectively. The matrix must, by definition, diagonalize both and . This can only occur if these two matrixes commute,

bSaS

†2 2( ) ( )V t V t

cS

1W 2W

1 2, 0W W 1 2 2 1WW W W

†1 1( ) ( )V t V t

†1 1( ) ( )a bM t S V t S †

2 2( ) ( )b cM t S V t S

We define the matrix products

†1 1 1( ) ( ) ( )W t V t V t

†2 2 2( ) ( ) ( )W t V t V t

Page 13: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Special case: Single intermediate state

Morris-Shoretransformation

cc

b

a

b

1( )f t

2 ( )f t

c

a

1( )f t

2 ( )f t

1

2

b

c

b

In case of a , and reduce to scalars

and condition hold automatically. Hence for a single

intermediate state the MS transformation is always possible.

1bN

1 2, 0W W

1W 2W

Page 14: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Extension to N levels

The results for the three-level MS transformation are readily extended to N degenerate levels. For each transition n we form the matrixes when n is a odd number and when n is even number then the N-level MS transformation exists if and only if:

†n n nW V V

1 2

2 3

3 4

2 1

, 0

, 0

, 0

.......................

, 0N N

W W

W W

W W

W W

When the left system is full filled then MS transformation will produce sets of independent nondegenerate N-state systems, (N -1)-state systems, and so on, and a numberof uncoupled states, depending on the particular system.

†n n nW V V

Page 15: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

STIRAP between degenerate levels

Page 16: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Well known three levels lambda and ladder systems. One cane make effective population transfer in them using the STIRAP method.

b

a

b

1( )f t2 ( )f t

c c

c

a

1( )f t

2 ( )f t

1

2

b

c

b

Morris-Shoretransformation

cc

b

a

b

1( )f t

2 ( )f t

c

a

1( )f t

2 ( )f t

1

2

b

c

b

Page 17: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Well known three levels lambda and ladder systems. One cane make effective population transfer in them using the STIRAP method.

b

a

b

1( )f t2 ( )f t

c c

c

a

1( )f t

2 ( )f t

1

2

b

c

b

c c

b

1( )f t

2 ( )f t

a

b

Morris-Shoretransformation

a

b

2 ( )f t

1( )f t

b

c

(2)2 (2)

2

(2)1

(1)1

c

Page 18: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Morris-Shoretransformation

f

e

1( )p t

1( )s t

e

f

( )p t

( )s t( )sN ft

( )pNgt

is degeneracy of ground level gN

is degeneracy of final level fN

-bright state of ground level1

1| |

Ng

g pk gkp

b k

1

1| |

N f

f sk fks

b k

-bright state of final level

2

1

Ng

p pkk

2

1

N f

s skk

|1g | ggN | 2g | gb

| fb |1 f | f fN

....................

( ) | 1gb ( ) | 1fb

Page 19: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор
Page 20: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

REFLECTION for students

the vector is the reflection of over the plane P with a normal vector :

unitary operator

1 2ˆ M

ˆ ˆ 2 M 11 †ˆ ˆ M M

Page 21: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

2 M I

2 1 †2 2 M M MI I MI

1 2 1 2 1 2 2 1, 4 0 M M

A.S. Householder, J. ACM 5, 339 (1958)

Page 22: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор
Page 23: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Householder Reflection: action on arbitrary matrix

produces an upper (lower) triangular matrix

by only N1 operations

N(N-1)/2 steps needed with Givens SU(2) rotations

1

0

0

0

0

0

* * * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * *( )

* * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * *

M 2

0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0

* * * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * *

* * * * * * * * *( )

* * * * * * * * *

* * * * * * *

0

* *

* * * * * * * * *

M 3

0 0

0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 0 0

* * * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * *

* * * * * * * *( )

* * * * * * *

* * * * * * *

* * * * 0 0 * * *

M 4

0 0

0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0

* * * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * *

* * * * * * * *( )

* * * * * *

* * * * *

* * * * *0 0 0

M 5

0 0

0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0

* * * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * *

* * * * * * * *( )

* * * * * *

* * * *

* * *

M

2 M I

1 2 1( ) ( ) ( )N M M M

Page 24: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Householder Reflection: action on unitary matrix

turns a unitary matrix into a diagonal matrix!!! by only N1 operations

a recipe for synthesis of arbitrary preselected unitaries!

N(N-1)/2 steps needed with Givens SU(2) rotationsM Reck, A Zeilinger, HJ Bernstein, P Bertani, Phys. Rev. Lett. 73, 58 (1994)

2 M I

1

0 0 0 0 0

0

0

0

0

0

* * * * * * *

* * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * *( )

* * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * *

M 2

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0

* *

* * * * * *

* * * * * * * * *( )

* * * * * * * * *

* * * * * * * * *

* * * * * * * * *0

M 3

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 0 0

* *

* *

* * * * *( )

* * * * * * *

* * * * * * *

* * * * * * *0 0

M 5

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

* *

* *

0 0 0 0

* *( )

* *

* * *

* * *

M 4

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0

* *

* *

* *( )

* * * *

* * * * *

* 0 0* * * *0

M

1 2 1( ) ( ) ( )N U M M M D

Page 25: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Householder Reflection: action on Hermitian matrix

turns a Hermitian matrix into a tri-diagonal matrix!!!

reduces any interaction linkage patternto a nearest-neighbour (chain) linkage

2n n n M I

0 0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0

* * * * * * * *

* * * * * * * * *

* * * * * * * * *QHR* * * * * * * * *

* * * * * * * * *

* * * * * 0 * *0* 0

1n n nn

x x e

norm

2 2 1 1 2 2( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )N N HM M M M M M

AA Rangelov, NVV, BW Shore, PRA 77, 033404 (2008)

Page 26: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Householder Reflection on a Hamiltonian

turns a Hermitian matrix into a tri-diagonal matrix!!!reduces any interaction linkage pattern to a nearest-neighbour (chain)

linkage

* * * * * 0QHR

* * * * * *

* * * 0 * *

AA Rangelov, NVV, BW Shore, PRA 77, 033404 (2008)

Page 27: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Householder Reflection: Three-state loop

AA Rangelov, NVV, BW Shore, PRA 77, 033404 (2008)

Page 28: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор

Householder Reflection: Three-state loop

AA Rangelov, NVV, BW Shore, PRA 77, 033404 (2008)

Applications chain breaking and two-state subspaces analytic solutions creation of superpositions hidden spectator states

when 3 0

example:

Page 29: Системи, редуцируеми до системи с две и три нива:  Декомпозиция на Морис-Шор