[論文レビュー] Active quantum flocks

Reyhaneh Khasseh, Sascha Wald+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1次元格子上のハードコアフェルミオンが、指向性の散逸と量子スピン反転ダイナミクスの組み合わせによって、集団的で位相的に整合した運動を示す、非平衡量子多体系「アクティブ量子フロッグス」を導入する。主な発見は、長距離にわたる量子コherenceと自発的極性対称性の破れであり、これは、大規模な距離でボールスティックで位相的に整合した運動を示す量子フロッグスの出現を示している。この現象は、ラジウム原子アレイで実現可能である。

ABSTRACT

Flocks of animals represent a fascinating archetype of collective behavior in the macroscopic classical world, where the constituents, such as birds, concertedly perform motions and actions as if being one single entity. Here, we address the outstanding question of whether flocks can also form in the microscopic world at the quantum level. For that purpose, we introduce the concept of active quantum matter by formulating a class of models of active quantum particles on a one-dimensional lattice. We provide both analytical and large-scale numerical evidence that these systems can give rise to quantum flocks. A key finding is that these flocks, unlike classical ones, exhibit distinct quantum properties by developing strong quantum coherence over long distances. We propose that quantum flocks could be experimentally observed in Rydberg atom arrays. Our work paves the way towards realizing the intriguing collective behaviors of biological active particles in quantum matter systems. We expect that this opens up a path towards a yet totally unexplored class of nonequilibrium quantum many-body systems with unique properties.

研究の動機と目的

• 古典的アクティブ物質（例：鳥のフロッグス）に見られるフロッグス行動が、量子系において出現するかどうかを調査すること。
• 格子上の量子粒子のための動的プロセスを定義することで、アクティブ量子物質の理論的枠組みを構築すること。
• 明確な量子コherenceと対称性の破れを示す量子フロッグス相を同定および特徴付けること。
• 古典的アクティブ物質と量子多体物理学の橋渡しをすることにより、非平衡量子系分野における新たな道筋を開くこと。

提案手法

• 指向性散逸（左向き↑、右向き↓）をレートΓで持つ1次元格子上の2種類のハードコアフェルミオンのモデルを構築する。
• 量子ダイナミクスとエンタングルメントを可能にするために、振幅hを持つ位相的スピン反転プロセスを導入する。
• 局所磁化に依存する条件付き散逸的スピン反転プロセスを組み込み、整列とクラスタ形成を可能にする。
• オープン量子系のダイナミクスを記述するためリンドブラッドマスター方程式を用い、熱力学的極限における粗視化された流体力学的記述を導出する。
• 1000本の軌道を用いた数値シミュレーションにより、バインダーキュムラントU(t)を計算し、対称性の破れを分析する。
• 密度および磁化のガウスノイズフラクチュエーションを解析し、粗視化されたダイナミクスのための確率的偏微分方程式を導出する。

Figure 1: Active quantum flocks. A The introduced model for active quantum matter involves two species of hard-core bosons ( $\uparrow,\downarrow)$ on a one-dimensional lattice subject to three types of dynamical processes. The particles perform a dissipative directed motion at a rate $\Gamma$ with

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的フロッグスに類似した集団的で位相的整合した運動が、量子多体系において出現するか？
• RQ2 このような量子フロッグスは、古典的対応物と比べてどのような量子的特徴を示すか？
• RQ3 アクティブダイナミクスを持つ非平衡量子系において、量子コherenceはどのように現れるか？
• RQ4 量子コherenceと対称性の破れは、アクティブ量子物質における長距離秩序の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 弱い量子振幅h=0.2の場合、大きな系サイズにおいてバインダーキュムラントUは2/3に近づき、自発的極性対称性の破れと長距離秩序が示され、これは量子フロッグス相の特徴である。
• 強いh=3.0の場合、系サイズが増加するにつれてバインダーキュムラントは0に近づき、長距離秩序を示さない無秩序相を示唆する。
• 粗視化されたダイナミクスにおいて、安定した移動型ドメインウォール解が観察され、粒子クラスタの持続的で位相的整合した運動を示している。
• 数値的シミュレーションでは、弱いノイズを含む均一な初期状態が、移動波パターンに進化することが確認され、均一状態の不安定性とフロッグスの出現を裏付けた。
• 粗視化された流体力学的方程式から、密度および磁化のガウスフラクチュエーションが、移動型ドメインウォールの安定性とダイナミクスに寄与することが明らかになった。
• このモデルは、量子フロッグスがラジウム原子アレイで実現可能であると予測しており、観測に向けた実現可能な実験的プラットフォームを提供する。

Figure 2: Phase diagram. Numerically obtained phase diagram with indicated error bars as a function of the alignment parameter $K$ and the quantum amplitude $h$ including representative many-body configurations. The numerical uncertainty for the estimate of the phase transition points is indicated b