We review recent theoretical developments on the stabilization of strongly correlated quantum fluids of light in driven-dissipative photonic devices through novel non-Markovian reservoir engineering techniques. This approach allows one to compensate losses and refill selectively the photonic population so as to sustain a desired steady state. It relies in particular on the use of a frequency-dependent incoherent pump, which can be implemented, e.g., via embedded two-level systems maintained at a strong inversion of population. As specific applications of these methods, we discuss the generation of Mott Insulator (MI) and Fractional Quantum Hall (FQH) states of light. As a first step, we present the case of a narrowband emission spectrum and show how this allows for the stabilization of MI and FQH states under the condition that the photonic states are relatively flat in energy. As soon as the photonic bandbwidth becomes comparable to the emission linewidth, important non-equilibrium signatures and entropy generation appear, and a novel dissipative phase transition from a Mott Insulating state toward a superfluid (SF) phase is unveiled. As a second step, we review a more advanced configuration based on reservoirs with a broadband frequency distribution, and we highlight the potential of this configuration for the quantum simulation of equilibrium quantum phases at zero temperature with tunable chemical potential. As a proof of principle, we establish the applicability of our scheme to the Bose–Hubbard model by confirming the presence of a perfect agreement with the ground-state predictions both in the Mott insulating and superfluid regions, and more generally in all parts of the parameter space. Future prospects towards the quantum simulation of more complex configurations are finally outlined, along with a discussion of our scheme as a concrete realization of quantum annealing.
Nous passons en revue les récents développements théoriques sur la stabilisation des fluides quantiques de lumière fortement corrélés dans les dispositifs photoniques à caractère dissipatif au travers de nouvelles techniques d'ingénierie de réservoirs non markoviens. Cette approche permet de compenser les pertes et de remplir de manière sélective la population photonique afin de maintenir l'état stable souhaité. Elle repose, en particulier, sur l'utilisation d'une pompe non cohérente dépendant de la fréquence, qui peut être mise en œuvre, par exemple, via des systèmes intégrés à deux niveaux maintenus à une forte inversion de population. En tant qu'applications spécifiques de ces méthodes, nous discutons la génération des états de lumière de types isolant de Mott (MI) et effet Hall quantique (FQH). Dans un premier temps, nous présentons le cas d'un spectre d'émission à bande étroite et montrons comment il permet la stabilisation des états MI et FQH, à condition que les états photoniques soient relativement plats en énergie. Dès que la bande passante photonique devient comparable à la largeur de la raie d'émission, d'importantes signatures en non-équilibre et en génération d'entropie apparaissent, et une nouvelle transition de phase dissipative d'un état isolant de Mott vers une phase superfluide (SF) est révélée. Dans un second temps, nous passons en revue une configuration plus avancée basée sur des réservoirs avec une distribution de fréquence à large bande, et nous mettons en évidence le potentiel de cette configuration pour la simulation quantique des phases quantiques d'équilibre à température zéro. Comme preuve de principe, nous établissons l'applicabilité de notre schéma au modèle de Bose–Hubbard, en confirmant la présence d'un accord parfait avec les prédictions de l'état fondamental, à la fois dans les régions isolantes au sens de Mott et superfluides, et plus généralement dans toutes les régions de l'espace des paramètres. Les perspectives d'avenir vers la simulation quantique de configurations plus complexes sont enfin présentées, avec une discussion de notre schéma comme une réalisation concrète du recuit quantique.
Mot clés : Photons interagissant fortement, Systèmes alimentés et dissipatifs, Non markovien, Ingénierie de réservoirs, Simulation quantique
José Lebreuilly 1; Iacopo Carusotto 2
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José Lebreuilly; Iacopo Carusotto. Quantum simulation of zero-temperature quantum phases and incompressible states of light via non-Markovian reservoir engineering techniques. Comptes Rendus. Physique, Volume 19 (2018) no. 6, pp. 433-450. doi : 10.1016/j.crhy.2018.07.001. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2018.07.001/
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