A Short Course on Topological Insulators: Band-structure topology and edge states in one and two dimensions

This course-based primer provides newcomers to the field with a concise introduction to some of the core topics in the emerging field of topological band insulators in one and two dimensions. The aim is to provide a basic understanding of edge states, bulk topological invariants, and of the bulk--boundary correspondence with as simple mathematical tools as possible. We use noninteracting lattice models of topological insulators, building gradually on these to arrive from the simplest one-dimensional case (the Su-Schrieffer-Heeger model for polyacetylene) to two-dimensional time-reversal invariant topological insulators (the Bernevig-Hughes-Zhang model for HgTe). In each case the model is introduced first and then its properties are discussed and subsequently generalized. The only prerequisite for the reader is a working knowledge in quantum mechanics, the relevant solid state physics background is provided as part of this self-contained text, which is complemented by end-of-chapter problems

Mozgó atomok és molekulák erősen csatolt sugárzási terekben, rezonátorokban = Moving atoms and molecules in strongly-couped radiation fields, in cavities

A fény-anyag kölcsönhatást mikroszkópikus szinten, az erős csatolás tartományában vizsgáltuk. Jelentős előrehaladást értünk el a sugárzási tér atomok mozgására kifejtett hatásának és a mozgás visszahatásának megértésében. Új módszereket dolgoztunk ki atomok és molekulák mozgásának kontrollált manipulálására, a részecskék termikus mozgásának csillapítására (``rezonátoros hűtés''), és atomok stabil csapdázására a hullámhossz töredékének megfelelő térfogatban. Kidolgoztuk a korábban felállított szemiklasszikus modell kvantummechanikai általánosítását. Egyszerű rendszerek teljesen kvantumos leírását szolgáltató, a Monte-Carlo hullámfüggvény módszeren alapuló numerikus kódot egy kényelmesen kezelhető, szabadon letölthető programcsomagba foglaltuk. A kutatómunka másik fő vonala az erősen csatolt rezonátormódus által közvetített atom-atom kölcsönhatásból származó kollektív hatások vizsgálatát célozta meg. Részletesen felderítettük két atom mozgásában fellépő korrelációt. Átlagtérelmélet segítségével leírtuk a sokatomos rendszer fázisátalakulásait, és a meghatároztuk a rendszer teljes fázisdiagrammját. A csatolt atom rezonátor rendszer egyik lehetséges alkalmazása a kvantuminformáció kezelésében van. Új sémákat dolgoztunk ki több-bites, univerzális kvantumkapuk megvalósítására. Eredményeinket 25 cikkben közöltük, ebből 4 cikk a Physical Review Letters-ben jelent meg. | The strong coupling regime of the light-matter interaction has been studied at a microscopic level. We have considerably progressed in the understanding of the radiation field forces exerted on the motion of atoms, and the back-action of the motion on the field. We have developed new methods for the controlled manipulation of atoms and molecules, for the damping of the thermal motion (``cavity cooling''), and for the stable trapping of particles in a tiny volume corresponding to the fraction of the optical wavelength. We have worked out the quantum mechanical generalization of the semiclassical model, set up previously. The numerical code, providing for the fully quantum description of simple systems based on the Monte-Carlo Wavefunction Method has been created and put in an easy-to-use, documented program package. The other main research direction addressed the collective effects arising from the atom-atom interaction mediated by the commonly strongly coupled resonator mode. We have revealed in detail the correlated motion of two atoms. By means of mean-field theory we have described the phase transitions of the many atom system, and determined its full phase diagram. One possible application of the coupled atom and cavity system lies in the processing of quantum information. We have developed new schemes for the realization of universal, multi-qubits quantum gates. Our results have been published in 25 papers, including four papers in the Physical Review Letters

Floquet-Anderson localization in the Thouless pump and how to avoid it

We investigate numerically how onsite disorder affects conduction in the periodically driven Rice-Mele model, a prototypical realization of the Thouless pump. Although the pump is robust against disorder in the fully adiabatic limit, much less is known about the case of finite period time $T$, which is relevant also in light of recent experimental realizations. We find that at any fixed period time and nonzero disorder, increasing the system size $L\to\infty$ always leads to a breakdown of the pump, indicating Anderson localization of the Floquet states. Our numerics indicate, however, that in a properly defined thermodynamic limit, where $L/T^\theta$ is kept constant, Anderson localization can be avoided, and the charge pumped per cycle has a well-defined value -- as long as the disorder is not too strong. The critical exponent $\theta$ is not universal, rather, its value depends on the disorder strength. Our findings are relevant for practical, experimental realizations of the Thouless pump, for studies investigating the nature of its current-carrying Floquet eigenstates, as well as the mechanism of the full breakdown of the pump, expected if the disorder exceeds a critical value.Comment: 5+5 pages, 4+6 figure

Rezonátoros kvantumelektrodinamika: atomoktól a soktestrendszerekig = Cavity quantum electrodynamics of systems from few atoms to controlled ensembles

Munkánk elvezetett a rezonátoros kvantumelektrodinamika alapmodelljének több irányú kiterjesztéséhez, és más aktív kutatási területhez kapcsolásához. Az erős atom-fény csatolást bevezettük a Bose-Einstein kondenzátumok fizikájába. Először átlagtérelmélettel és lineáris zajanalízissel felderítettük a csatolt anyag-, és fényhullámok hibrid rendszerét. Kifejlesztettünk effektív modelleket, amelyek számot adnak a kvantumstatisztikai tulajdonságokról, sőt, még dinamikai jelenségekről is. A térbeli önszerveződés nemegyensúlyi fázisátalakítását elemeztük részletesen. At ETH csoportjában végzett kísérletek igazolták néhány jóslatunkat. Kapcsolatot teremtettünk a rezonátoros QED és a standard optomechanikai modell között. Ez utóbbi egy forró kutatási téma, amely kvantumhatások megfigyelhetőségével kecsegtet egy mezoszkopikus tárgy (tükör) mozgásában. A két modell egységes leírását adtuk egy szórási modell keretében, amely két extrém határesetében adja vissza őket. A szórási megközelítés sikeresnek bizonyult szabad térben megfigyelhető, kollektív atomi jelenségek feltárásában is. Túlléptünk az optikai rácsok szokásos leírásán: korrekciókat találtunk a dipólerő kifejezéséhez, amely az atomok mezőre kifejtett visszahatásából származnak, és megmutattuk, hogy sűrűséghullámok formájában soktest gerjesztések létezhetnek egy optikai rácsban. Összesen 21 cikket publikáltunk, amelyek között 6 Phys. Rev. Lett. van. 7 meghívott konferenciaelőadást tartottunk. | This project has led to the extension of the basic cavity QED model in various directions, connecting it to other very active research fields. First of all, the strong atom-field coupling has been incorporated to the physics of Bose-Einstein condensates. The composite, hybrid system of coupled matter and light waves was explored, first, by mean field theory and linearized fluctuation analysis. We developed effective models accounting for quantum statistical features, too, even for dynamical effects. The non-equilibrium phase transition of spatial self-organization was analysed in detail. Experimental observations in the ETH group verified some of our predictions. We established a link between cavity QED and the standard opto-mechanical model. This latter is a hot topic with the promise of observing quantum effects in the kinematics of massive, mesoscopic mirrors. We described them in a uniform framework, as being the two extremes of the same scattering model. This scattering approach proved to be useful also in studying collective atomic effects in free space. We went beyond the standard picture of optical lattices: we found corrections to the optical dipole potential due to back-action on the field and showed that many-body excitations in the form of density waves can be excited in an optical lattice. We published altogether 21 papers, among which there are 6 Phys.Rev. Letters. We presented 7 invited conference talks

Poor man's topological quantum gate based on the Su-Schrieffer-Heeger model

Topological properties of quantum systems could provide protection of information against environmental noise, and thereby drastically advance their potential in quantum information processing. Most proposals for topologically protected quantum gates are based on many-body systems, e.g., fractional quantum Hall states, exotic superconductors, or ensembles of interacting spins, bearing an inherent conceptual complexity. Here, we propose and study a topologically protected quantum gate, based on a one-dimensional single-particle tight-binding model, known as the Su-Schrieffer-Heeger chain. The proposed $Y$ gate acts in the two-dimensional zero-energy subspace of a Y junction assembled from three chains, and is based on the spatial exchange of the defects supporting the zero-energy modes. With numerical simulations, we demonstrate that the gate is robust against hopping disorder but is corrupted by disorder in the on-site energy. Then we show that this robustness is topological protection, and that it arises as a joint consequence of chiral symmetry, time-reversal symmetry and the spatial separation of the zero-energy modes bound to the defects. This setup will most likely not lead to a practical quantum computer, nevertheless it does provide valuable insight to aspects of topological quantum computing as an elementary minimal model. Since this model is non-interacting and non-superconducting, its dynamics can be studied experimentally, e.g., using coupled optical waveguides.Comment: 11 pages, 9 figure

Kvantumoptikai rendszerek és kvantuminformatikai alkalmazásaik = Quantum optical systems and their applications in quantum information science

Kiterjesztettük a stimulált Raman adiabatikus átmenetet egy háromszintű, degenerált energianívójú atomra. Eljárásunkkal a teljes Hilbert-teret le lehet fedni a gerjesztő impulzusok paramétereinek változtatásával. Általánosítottuk a Pólya-féle számot kvantumos bolyongásokra. A hiperkockán történő keresést optimalizáltuk és a kvantumoptikai megvalósításnál fellépő zajt elemeztük. Javasoltuk az 1D kvantumbolyongás megvalósítását félvezető struktúrákban. Összefonódáson alapuló kvantumkommunikációs sémákat találtunk diszkrét és folytonos változós kvantumállapotok minimális klasszikus kommunikáció árán való távoli előállítására. Összefonódottság detektálására dolgoztunk ki új módszereket. Feles spinű részecskékből álló sokrészecskés rendszerekre megadtuk a kollektív mennyiségek mérésén alapuló összefonódottsági kritériumok teljes halmazát. Kis számú, egyenként is elérhető spinre is megadtunk optimális kritériumokat. Semleges atomok kontrollált mozgatására dolgoztunk ki új hűtési eljárásokat, amelyekben a távolra hangolt lézerterek nem befolyásolják a kvantuminformációt hordozó hiperfinom állapotok dinamikáját. Számos új, az ilyen atomok közötti sugárzási kölcsönhatás következtében megjelenő kollektív jelenséget találtunk. Az ismert numerikus módszereknél hatékonyabb eljárást fejlesztettünk ki nyílt rendszerek időfejlesztő operátorának kiszámítására, és alkalmaztuk egy üregbe zárt atomokkal megvalósított kontroll-nem kapu fidelitásának meghatározására. | We extended the stimulated Raman adiabatic passage method to a degenerate three-level atom. Our scheme covers the full target Hilbert space by varying the exciting laser pulse parameters. We generalized the Pólya number for quantum walks. We optimized the search algorithm on a hypercube and analyzed the effect of noise in a quantum optical setting. We proposed the implementation of the 1D quantum walk in semiconductor structures. We found entanglement based quantum communication schemes that enable the remote preparation of a family of discrete and continuous variable quantum states at minimal classical communication cost. We developed new methods for detecting quantum entanglement. In systems with very many particles, where only collective quantities can be measured, we determined the full set of entanglement conditions for the case of spin-half particles. We also gave optimal criteria for a system of few, individually addressable spins. We developed new cooling schemes for the manipulation of motion of neutral atoms with far detuned laser fields, in which the hyperfine states carrying quantum bit information are not influenced. We considered various effects due to radiative atom-atom interaction in far detuned laser fields. We developed a procedure more efficient than other known numeric methods for calculating the time-evolution operator in open systems. We applied it for calculating the fidelity of a CNOT gate realized by atoms in a cavity

Effect of Carotenoids, Oligosaccharides and Anthocyanins on Growth Performance, Immunological Parameters and Intestinal Morphology in Broiler Chickens Challenged with Escherichia coli Lipopolysaccharide

L

Effects of bowel cleansing on the composition of the gut microbiota in inflammatory bowel disease patients and healthy controls

Background: In patients with inflammatory bowel disease (IBD), Crohn’s disease (CD), and ulcerative colitis (UC), numerous cases of exacerbations could be observed after colonoscopy, raising the possible pathogenetic effect of colonic microbiota alterations in IBD flare. Objectives: We aimed to investigate the changes in the fecal microbiota composition in IBD patients influenced by the bowel preparation with sodium picosulfate. Design: We enrolled patients with IBD undergoing bowel preparation for colonoscopy in the prospective cohort study. The control group (Con) comprised non-IBD patients who underwent colonoscopy. Clinical data, blood, and stool samples were collected before colonoscopy (timepoint A), 3 days later (timepoint B), and 4 weeks later (timepoint C). Methods: Disease activity and gut microbiota changes were assessed at each timepoint. Fecal microbiota structure – at family level – was determined by sequencing the V4 region of the 16S rRNA gene. Statistical analysis included differential abundance analysis and Mann–Whitney tests. Results: Forty-one patients (9 CD, 13 UC, and 19 Con) were included. After bowel preparation, alpha diversity was lower in the CD group than in the UC (p = 0.01) and Con (p = 0.02) groups at timepoint B. Alpha diversity was significantly higher in the UC group than in the CD and Con (p = 0.03) groups at timepoint C. Beta diversity difference differed between the IBD and Con (p = 0.001) groups. Based on the differential abundance analysis, the Clostridiales family was increased, whereas the Bifidobacteriaceae family was decreased in CD patients compared to the Con at timepoint B. Conclusions: Bowel preparation may change the fecal microbial composition in IBD patients, which may have a potential role in disease exacerbation after bowel cleansing

Mikrobiom feltáró módszerek összehasonlító elemzése

Examination of 19 control, 13 Ulcerative Colitis, 9 Crohn’s disease patients resulted in 123 samples, contained in a count table created by Mothur and dada2, the compared pipelines. The data was investigated using RStudio. The following analyses were performed: Alpha diversity, Beta diversity and relative abundance.I put these results into context, compare the properties of the two 16S rRNA analysis pipelines and emphasize the conclusions, noting shortcomings, and limitations of our methods