×

Generalised quantum speed limit for arbitrary time-continuous evolution. (English) Zbl 1536.81022

Summary: The quantum speed limit describes how quickly a quantum system can evolve in time from an initial state to a final state under a given dynamics. Here, we derive a generalised quantum speed limit (GQSL) for arbitrary time-continuous evolution using the geometrical approach of quantum mechanics. The GQSL is applicable for quantum systems undergoing unitary, non-unitary, completely positive, non-completely positive and relativistic quantum dynamics. This reduces to the well known standard quantum speed limit (QSL), i.e. the Mandelstam-Tamm bound when the quantum system undergoes unitary time evolution. Using our formalism, we then obtain a quantum speed limit for non-Hermitian quantum systems. To illustrate our findings, we have estimated the quantum speed limit for a time-independent non-Hermitian system as well as for a time-dependent non-Hermitian system namely the Bethe-Lamb Hamiltonian for general two-level system.
{© 2023 IOP Publishing Ltd}

MSC:

81P45 Quantum information, communication, networks (quantum-theoretic aspects)
47D06 One-parameter semigroups and linear evolution equations
81Q12 Nonselfadjoint operator theory in quantum theory including creation and destruction operators
81Q93 Quantum control
58J47 Propagation of singularities; initial value problems on manifolds
81Q70 Differential geometric methods, including holonomy, Berry and Hannay phases, Aharonov-Bohm effect, etc. in quantum theory
81R20 Covariant wave equations in quantum theory, relativistic quantum mechanics
22D10 Unitary representations of locally compact groups

References:

[1] Ashhab, S.; de Groot, P. C.; Nori, F., Phys. Rev. A, 85 (2012) · doi:10.1103/PhysRevA.85.052327
[2] Campaioli, F.; Pollock, F. A.; Vinjanampathy, S.; Binder, F.; Correa, L. A.; Gogolin, C.; Anders, J.; Adesso, G., Quantum Batteries, Thermodynamics in the Quantum Regime: Fundamental Aspects and New Directions, pp 207-25 (2018), Springer International Publishing
[3] Julià-Farré, S.; Salamon, T.; Riera, A.; Bera, M. N.; Lewenstein, M., Phys. Rev. Res., 2 (2020) · doi:10.1103/PhysRevResearch.2.023113
[4] Mohan, B.; Pati, A. K., Phys. Rev. A, 104 (2021) · doi:10.1103/PhysRevA.104.042209
[5] Mohan, B.; Pati, A. K., Phys. Rev. A, 106 (2022) · doi:10.1103/PhysRevA.106.042436
[6] Caneva, T.; Murphy, M.; Calarco, T.; Fazio, R.; Montangero, S.; Giovannetti, V.; Santoro, G. E., Phys. Rev. Lett., 103 (2009) · doi:10.1103/PhysRevLett.103.240501
[7] Campbell, S.; Deffner, S., Phys. Rev. Lett., 118 (2017) · doi:10.1103/PhysRevLett.118.100601
[8] Demkowicz-Dobrzański, R.; Kołodyński, J.; GuŢă, M., Nat. Commun., 3, 1063 (2012) · doi:10.1038/ncomms2067
[9] del Campo, A.; Egusquiza, I. L.; Plenio, M. B.; Huelga, S. F., Phys. Rev. Lett., 110 (2013) · doi:10.1103/PhysRevLett.110.050403
[10] Tóth, G.; Apellaniz, I., J. Phys. A: Math. Theor., 47 (2014) · Zbl 1302.81026 · doi:10.1088/1751-8113/47/42/424006
[11] Beau, M.; del Campo, A., Phys. Rev. Lett., 119 (2017) · doi:10.1103/PhysRevLett.119.010403
[12] Campbell, S.; Genoni, M. G.; Deffner, S., Quantum Sci. Technol., 3 (2018) · doi:10.1088/2058-9565/aaa641
[13] Campo, A. d.; Goold, J.; Paternostro, M., Sci. Rep., 4, 6208 (2014) · doi:10.1038/srep06208
[14] Mukhopadhyay, C.; Misra, A.; Bhattacharya, S.; Pati, A. K., Phys. Rev. E, 97 (2018) · doi:10.1103/PhysRevE.97.062116
[15] Mandelstam, L.; Tamm, I., J. Phys. (USSR), 9, 249 (1945) · Zbl 0060.45003 · doi:10.1007/978-3-642-74626-0_8
[16] Margolus, N.; Levitin, L. B., Physica D, 120, 188 (1998) · doi:10.1016/S0167-2789(98)00054-2
[17] Anandan, J.; Aharonov, Y., Phys. Rev. Lett., 65, 1697 (1990) · Zbl 0960.81524 · doi:10.1103/PhysRevLett.65.1697
[18] Pati, A. K., Phys. Lett. A, 159, 105 (1991) · doi:10.1016/0375-9601(91)90255-7
[19] Anandan, J. S.; Pati, A. K., Phys. Lett. A, 231, 29 (1997) · Zbl 1052.82559 · doi:10.1016/S0375-9601(97)00290-9
[20] Pati, A. K., Phys. Lett. A, 202, 40 (1995) · Zbl 1020.81668 · doi:10.1016/0375-9601(95)00299-I
[21] Roccati, F.; Lorenzo, S.; Palma, G. M.; Landi, G. T.; Brunelli, M.; Ciccarello, F., Quantum Sci. Technol., 6 (2021) · doi:10.1088/2058-9565/abcfcc
[22] Roccati, F.; Palma, G. M.; Bagarello, F.; Ciccarello, F. (2022)
[23] Mostafazadeh, A., J. Math. Phys., 43, 3944 (2002) · Zbl 1061.81075 · doi:10.1063/1.1489072
[24] Bender, C. M.; Brody, D. C.; Jones, H. F., Phys. Rev. Lett., 89 (2002) · Zbl 1267.81234 · doi:10.1103/PhysRevLett.89.270401
[25] Bender, C. M.; Meisinger, P. N.; Wang, Q., J. Phys. A: Math. Gen., 36, 6791 (2003) · Zbl 1069.81524 · doi:10.1088/0305-4470/36/24/314
[26] Ding, L.; Shi, K.; Zhang, Q.; Shen, D.; Zhang, X.; Zhang, W., Phys. Rev. Lett., 126 (2021) · doi:10.1103/PhysRevLett.126.083604
[27] Wang, W-C, Phys. Rev. A, 103 (2021) · doi:10.1103/PhysRevA.103.L020201
[28] Ding, L.; Shi, K.; Wang, Y.; Zhang, Q.; Zhu, C.; Zhang, L.; Yi, J.; Zhang, S.; Zhang, X.; Zhang, W., Phys. Rev. A, 105 (2022) · doi:10.1103/PhysRevA.105.L010204
[29] Li, J.; Harter, A. K.; Liu, J.; de Melo, L.; Joglekar, Y. N.; Luo, L., Nat. Commun., 10, 855 (2019) · doi:10.1038/s41467-019-08596-1
[30] Jiang, Y.; Mei, Y.; Zuo, Y.; Zhai, Y.; Li, J.; Wen, J.; Du, S., Phys. Rev. Lett., 123 (2019) · doi:10.1103/PhysRevLett.123.193604
[31] Liu, W.; Wu, Y.; Duan, C-K; Rong, X.; Du, J., Phys. Rev. Lett., 126 (2021) · doi:10.1103/PhysRevLett.126.170506
[32] Wu, Y.; Liu, W.; Geng, J.; Song, X.; Ye, X.; Duan, C-K; Rong, X.; Du, J., Science, 364, 878 (2019) · Zbl 1431.82002 · doi:10.1126/science.aaw8205
[33] Partanen, M., Phys. Rev. B, 100 (2019) · doi:10.1103/PhysRevB.100.134505
[34] Levitin, L. B.; Toffoli, T., Phys. Rev. Lett., 103 (2009) · doi:10.1103/PhysRevLett.103.160502
[35] Gislason, E. A.; Sabelli, N. H.; Wood, J. W., Phys. Rev. A, 31, 2078 (1985) · doi:10.1103/PhysRevA.31.2078
[36] Eberly, J. H.; Singh, L. P S., Phys. Rev. D, 7, 359 (1973) · doi:10.1103/PhysRevD.7.359
[37] Bauer, M.; Mello, P., Ann. Phys., NY, 111, 38 (1978) · doi:10.1016/0003-4916(78)90223-3
[38] Bhattacharyya, K., J. Phys. A: Math. Gen., 16, 2993 (1983) · doi:10.1088/0305-4470/16/13/021
[39] Leubner, C.; Kiener, C., Phys. Rev. A, 31, 483 (1985) · doi:10.1103/PhysRevA.31.483
[40] Vaidman, L., Am. J. Phys., 60, 182 (1992) · Zbl 1219.81145 · doi:10.1119/1.16940
[41] Uhlmann, A., Phys. Lett. A, 161, 329 (1992) · doi:10.1016/0375-9601(92)90555-Z
[42] Uffink, J. B., Am. J. Phys., 61, 935 (1993) · doi:10.1119/1.17368
[43] Pfeifer, P.; Fröhlich, J., Rev. Mod. Phys., 67, 759 (1995) · doi:10.1103/RevModPhys.67.759
[44] Horesh, N.; Mann, A., J. Phys. A: Math. Gen., 31, L609 (1998) · Zbl 0961.81004 · doi:10.1088/0305-4470/31/36/003
[45] Pati, A. K., Phys. Lett. A, 262, 296 (1999) · Zbl 1044.81538 · doi:10.1016/S0375-9601(99)00701-X
[46] Söderholm, J.; Björk, G.; Tsegaye, T.; Trifonov, A., Phys. Rev. A, 59, 1788 (1999) · doi:10.1103/PhysRevA.59.1788
[47] Andrecut, M.; Ali, M. K., J. Phys. A: Math. Gen., 37, L157 (2004) · Zbl 1046.81007 · doi:10.1088/0305-4470/37/15/L01
[48] Gray, J. E.; Vogt, A., J. Math. Phys., 46 (2005) · Zbl 1110.81027 · doi:10.1063/1.1897164
[49] Luo, S.; Zhang, Z., Lett. Math. Phys., 71, 1 (2005) · Zbl 1115.81341 · doi:10.1007/s11005-004-5095-4
[50] Zieliński, B.; Zych, M., Phys. Rev. A, 74 (2006) · doi:10.1103/PhysRevA.74.034301
[51] Andrews, M., Phys. Rev. A, 75 (2007) · doi:10.1103/PhysRevA.75.062112
[52] Yurtsever, U., Phys. Scr., 82 (2010) · Zbl 1198.81071 · doi:10.1088/0031-8949/82/03/035008
[53] Shuang-Shuang, F.; Nan, L.; Shun-Long, L., Commun. Theor. Phys., 54, 661 (2010) · Zbl 1220.81088 · doi:10.1088/0253-6102/54/4/15
[54] Zwierz, M., Phys. Rev. A, 86 (2012) · doi:10.1103/PhysRevA.86.016101
[55] Poggi, P. M.; Lombardo, F. C.; Wisniacki, D. A., Europhys. Lett., 104 (2013) · doi:10.1209/0295-5075/104/40005
[56] Kupferman, J.; Reznik, B., Phys. Rev. A, 78 (2008) · Zbl 1255.81030 · doi:10.1103/PhysRevA.78.042305
[57] Jones, P. J.; Kok, P., Phys. Rev.A, 82 (2010) · doi:10.1103/PhysRevA.82.022107
[58] Chau, H. F., Phys. Rev. A, 81 (2010) · doi:10.1103/PhysRevA.81.062133
[59] Deffner, S.; Lutz, E., J. Phys. A: Math. Theor., 46 (2013) · Zbl 1273.81009 · doi:10.1088/1751-8113/46/33/335302
[60] Fung, C-H F.; Chau, H., Phys. Rev. A, 90 (2014) · doi:10.1103/PhysRevA.90.022333
[61] Andersson, O.; Heydari, H., J. Phys. A: Math. Theor., 47 (2014) · Zbl 1291.81065 · doi:10.1088/1751-8113/47/21/215301
[62] Mondal, D.; Datta, C.; Sazim, S., Phys. Lett. A, 380, 689 (2016) · Zbl 1349.81049 · doi:10.1016/j.physleta.2015.12.015
[63] Mondal, D.; Pati, A. K., Phys. Lett. A, 380, 1395 (2016) · Zbl 1364.81063 · doi:10.1016/j.physleta.2016.02.018
[64] Deffner, S.; Campbell, S., J. Phys. A: Math. Theor., 50 (2017) · Zbl 1377.81059 · doi:10.1088/1751-8121/aa86c6
[65] Campaioli, F.; Pollock, F. A.; Binder, F. C.; Modi, K., Phys. Rev. Lett., 120 (2018) · doi:10.1103/PhysRevLett.120.060409
[66] Giovannetti, V.; Lloyd, S.; Maccone, L., J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt., 6, S807 (2004) · doi:10.1088/1464-4266/6/8/028
[67] Batle, J.; Casas, M.; Plastino, A.; Plastino, A. R., Phys. Rev. A, 72 (2005) · doi:10.1103/PhysRevA.72.032337
[68] Borrás, A.; Casas, M.; Plastino, A. R.; Plastino, A., Phys. Rev. A, 74 (2006) · doi:10.1103/PhysRevA.74.022326
[69] Zander, C.; Plastino, A. R.; Plastino, A.; Casas, M., J. Phys. A: Math. Theor., 40, 2861 (2007) · Zbl 1111.81039 · doi:10.1088/1751-8113/40/11/020
[70] Ness, G.; Alberti, A.; Sagi, Y., Phys. Rev. Lett., 129 (2022) · doi:10.1103/PhysRevLett.129.140403
[71] Bagchi, S.; Srivastav, A.; Pati, A. K. (2022)
[72] Pati, A. K.; Mohan, B.; Sahil; Braunstein, S. L. (2023)
[73] Taddei, M. M.; Escher, B. M.; Davidovich, L.; de Matos Filho, R. L., Phys. Rev. Lett., 110 (2013) · doi:10.1103/PhysRevLett.110.050402
[74] Deffner, S.; Lutz, E., Phys. Rev. Lett., 111 (2013) · doi:10.1103/PhysRevLett.111.010402
[75] Fung, C-H F.; Chau, H. F., Phys. Rev. A, 88 (2013) · doi:10.1103/PhysRevA.88.012307
[76] Pires, D. P.; Cianciaruso, M.; Céleri, L. C.; Adesso, G.; Soares-Pinto, D. O., Phys. Rev. X, 6 (2016) · doi:10.1103/PhysRevX.6.021031
[77] Deffner, S., Phys. Rev. Res., 2 (2020) · doi:10.1103/PhysRevResearch.2.013161
[78] Jing, J.; Wu, L-A; Del Campo, A., Sci. Rep., 6 (2016) · doi:10.1038/srep38149
[79] Funo, K.; Shiraishi, N.; Saito, K., New J. Phys., 21 (2019) · doi:10.1088/1367-2630/aaf9f5
[80] Ness, G.; Lam, M. R.; Alt, W.; Meschede, D.; Sagi, Y.; Alberti, A., Sci. Adv., 7, eabj9119 (2021) · doi:10.1126/sciadv.abj9119
[81] Pati, A. K., Phys. Rev. A, 52, 2576 (1995) · doi:10.1103/PhysRevA.52.2576
[82] Brody, D. C.; Graefe, E-M, Phys. Rev. Lett., 109 (2012) · doi:10.1103/PhysRevLett.109.230405
[83] Impens, F.; D’Angelis, F. M.; Pinheiro, F. A.; Guéry-Odelin, D., Phys. Rev. A, 104 (2021) · doi:10.1103/PhysRevA.104.052620
[84] Bender, C. M.; Brody, D. C.; Jones, H. F.; Meister, B. K., Phys. Rev. Lett., 98 (2007) · Zbl 1228.81027 · doi:10.1103/PhysRevLett.98.040403
[85] Michelson, A. A.; Morley, E. W., Am. J. Sci., 34, 427 (1887) · doi:10.2475/ajs.s3-34.204.427
[86] Sommerfeld, A., Science, 28, 417 (1940) · doi:10.1007/BF01490583
[87] Lamb, W. E.; Schlicher, R. R.; Scully, M. O., Phys. Rev. A, 36, 2763 (1987) · doi:10.1103/PhysRevA.36.2763
[88] Cui, X-D; Zheng, Y., Phys. Rev. A, 86 (2012) · doi:10.1103/PhysRevA.86.064104
[89] Floquet, G., Ann. Sci. de l’Ecole Norm., 12, 47-88 (1883) · doi:10.24033/asens.220
[90] Lamb, W. E.; Retherford, R. C., Phys. Rev., 79, 549 (1950) · doi:10.1103/PhysRev.79.549
[91] Brunel, C.; Lounis, B.; Tamarat, P.; Orrit, M., Phys. Rev. Lett., 81, 2679 (1998) · doi:10.1103/PhysRevLett.81.2679
[92] Han, B.; Zheng, Y., Phys. Rev. A, 78 (2008) · doi:10.1103/PhysRevA.78.015402
[93] García-Pintos, L. P.; del Campo, A., New J. Phys., 21 (2019) · doi:10.1088/1367-2630/ab099e
[94] García-Pintos, L. P.; del Campo, A., Entropy, 23, 1527 (2021) · doi:10.3390/e23111527
[95] Molina-Vilaplana, J.; del Campo, A., J. High Energy Phys., JHEP08(2018)01 (2018) · Zbl 1396.83029 · doi:10.1007/JHEP08(2018)012
[96] Margolus, N. (2021)
[97] Mackel, N. E.; Yang, J.; del Campo, A. (2022)
[98] García-Pintos, L. P.; Nicholson, S. B.; Green, J. R.; del Campo, A.; Gorshkov, A. V., Phys. Rev. X, 12 (2022) · doi:10.1103/PhysRevX.12.011038
[99] Mohan, B.; Das, S.; Pati, A. K., New J. Phys., 24 (2022) · doi:10.1088/1367-2630/ac753c
[100] Carabba, N.; Hörnedal, N.; Campo, A. d., Quantum, 6, 884 (2022) · doi:10.22331/q-2022-12-22-884
[101] Hörnedal, N.; Carabba, N.; Takahashi, K.; del Campo, A., Quantum, 7, 1055 (2023) · doi:10.22331/q-2023-07-11-1055
[102] Shrimali, D.; Bhowmick, S.; Pandey, V.; Pati, A. K., Phys. Rev. A, 106 (2022) · doi:10.1103/PhysRevA.106.042419
[103] Pandey, V.; Shrimali, D.; Mohan, B.; Das, S.; Pati, A. K., Phys. Rev. A, 107 (2023) · doi:10.1103/PhysRevA.107.052419
[104] Pandey, V.; Bhowmick, S.; Mohan, B.; Sohail; Sen, U. (2023)
[105] Carmichael, H. J., Statistical Methods in Quantum Optics 2: Non-Classical Fields (2007), Springer Science & Business Media
[106] Pati, A. K.; Singh, U.; Sinha, U., Phys. Rev. A, 92 (2015) · doi:10.1103/PhysRevA.92.052120
[107] Hall, M. J W.; Pati, A. K.; Wu, J., Phys. Rev. A, 93 (2016) · doi:10.1103/PhysRevA.93.052118
[108] Mondal, D.; Bagchi, S.; Pati, A. K., Phys. Rev. A, 95 (2017) · doi:10.1103/PhysRevA.95.052117
[109] Yu, B.; Jing, N.; Li-Jost, X., Phys. Rev. A, 100 (2019) · doi:10.1103/PhysRevA.100.022116
This reference list is based on information provided by the publisher or from digital mathematics libraries. Its items are heuristically matched to zbMATH identifiers and may contain data conversion errors. In some cases that data have been complemented/enhanced by data from zbMATH Open. This attempts to reflect the references listed in the original paper as accurately as possible without claiming completeness or a perfect matching.