Quantum dynamics and quantum information processing based on helical multiferroics

Abstract

Magnetoelektrische Kopplung in helikalen Multiferroika ermöglicht die Kontrolle von Spin-Ordungen durch ein externes elektrisches Feld. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die analytische Beschreibung von eindimensionalen frustrierten Spin-1/2-Ketten für die praktische Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung. Es wird gezeigt, dass die Übertragung von Quantenzuständen mit höherer Wiedergabetreue durch entsprechende Abstimmung des externen elektrischen Feldes erreichbar ist. Indem das System einem kurzen elektrischen Feldpuls oder einem plötzlichen Quench des elektrischen Feldes unterworfen wird, wird die Dynamik der Systemchiralität, der von Neumann-Entropie, der paarweisen und Vielteichlenverschränkung analysiert und die Signatur dynamischer Phasenübergänge identifiziert. Eine Quanten-Otto-Wärmekraftmaschine, die als Arbeitssubstanz eine multiferroikische Spinkette hat, wird ebenfalls untersucht und gezeigt, dass aufgrund des Vorhandenseins einer ungleichen Spinchiralität, gekoppelt an eine auftretende elektrische Polarisation in der Arbeitssubstanz, der Wirkungsgrad des Zyklus empfindlich auf externe elektrische Felder reagiert.

Magnetoelectric coupling in helical multiferroics renders the possible the steering of spin orders by external electric field. The main objective of the present study is the analytical description of one dimensional frustrated spin-1/2 chain for the practical application in quantum information processing. It is shown that the transfer of quantum states with higher fidelity can be achievable by proper tuning of the external electric field. By subjecting the system to short electric field pulses or a sudden quench of the electric field the dynamics of the system chirality, the von Neumann entropy, the pairwise and many-body entanglement are analyzed and the signature of dynamical phase transitions is identified. A quantum Otto heat engine operating with the working substance of multiferroic spin chain is also investigated and shown that due to the existence of a nonzero spin chirality coupled to an emergent electric polarization in the working substance, the efficiency of the cycle is sensitive to the applied external electric field.