文章提出基于横向场Ising模型的Floquet量子开关机制,通过周期性调制自旋间耦合实现系统-库相互作用的精确控制。设计两种驱动方案:键调制方案通过高频驱动在自旋链左端产生自旋对局域化,阻断第三自旋波动形成传播屏障;单键调制方案利用L/2位置的可调驱动实现自旋波传播的开关控制。数值模拟表明相关函数传播速度v=1.7934J₀满足Lieb-Robinson速度上限。局域自旋驱动方案通过相干隧穿破坏实现晶格解耦,为量子电池、量子态传输等量子技术提供新型耦合控制范式。
文章建立一维自旋-1/2链模型,哈密顿量表示为:
\[ H(t)=\hbar g\sum_{j=1}^{L}\hat{\sigma}_{j}^{z}+\hbar\sum_{j=1}^{L-1}J_{j}(t)\,\hat{\sigma}_{j}^{x}\hat{\sigma}_{j+1}^{x} \]
其中自旋交换耦合$J_{\alpha}(t)=J_{0}\cos(\Omega_{\alpha}t)$实现周期性调制。核心机制是通过特定频率驱动产生参数共振:左端三自旋系统在$\Omega_1=4g$和$\Omega_2=2g$驱动下,前两自旋形成亚谐波响应(周期T'=20T),第三自旋被锁定在$\langle\hat{\sigma}_{3}^{z}\rangle=1$状态,阻断自旋波传播。关闭$\Omega_2$驱动后,自旋波沿链传播,群速度测量值$v=1.7934J_0$符合Lieb-Robinson速度上限。
当左端双键调制激活时,数值模拟显示:位置j=1,2的自旋呈现$\langle\hat{\sigma}^{z}\rangle$亚谐振荡,相邻相关函数$|C_{1,2}(t)|$呈现周期性纠缠;而j≥3的自旋$\langle\hat{\sigma}^{z}\rangle$波动被抑制(Δ⟨σᶻ⟩<0.05),相关函数$|C_{2,3}(t)|$振荡衰减至零。该阻断效应源于参数共振诱导的局域化自旋对,形成有效的传播屏障。
在链中心位置(L/2)设置单调制键$J_{L/2}(t)=J_0\cos(\Omega t)$,通过驱动频率Ω控制开关状态:当Ω∈[1.5g,2.5g]时,最大相关函数$\max|C_{L/2,L/2+1}|≈0.05$(关态);Ω<0.5g时相关函数显著增强(开态)。开关比超过10倍,且在频闪动力学中保持$t=10^4T$长期稳定性,Floquet哈密顿量分析表明一阶Magnus项主导解耦过程:
\[ \hat{H}_{F}^{(0)} = \hbar J_0\sum_{j=1}^{L/2-1}(\hat{\sigma}_{j}^{+}\hat{\sigma}_{j+1}^{-} + \text{H.c.}) + \hbar J_0\sum_{j=L/2+1}^{L-1}(\hat{\sigma}_{j}^{+}\hat{\sigma}_{j+1}^{-} + \text{H.c.}) \]
文章提出替代性局域驱动方案,哈密顿量调整为:
\[ H(t) = \hbar\sum_{j=1}^{L}g_j(t)\hat{\sigma}^z_j + \hbar\lambda_0\sum_{j=1}^{L-1}\hat{\sigma}^x_j\hat{\sigma}^x_{j+1} \]
其中第k位自旋施加$g_k(t)=g+\varepsilon\cos(\nu t)$局域调制。在旋转框架下通过Jacobi-Anger展开,选择$\nu=mg$(m≥3)且$\varepsilon=(x_0\nu)/2$(x₀=2.4048为零阶贝塞尔函数首根)时,有效哈密顿量实现相干隧穿破坏。数值模拟显示:当k=5位置自旋被驱动时,左右晶格段相关函数衰减至零,实现等效解耦效果。
所提开关机制可应用于:1) 量子电池充放电循环中电池与充电器的可控耦合;2) 量子热机工作系统与热库的瞬态连接;3) 量子态传输网络的路径选择。键调制方案通过单参数(Ω)实现全域控制,局域驱动方案兼容超导量子模拟器的gap调控技术,为量子多体系统提供模块化控制工具。