[論文レビュー] Adiabatic preparation of entangled, magnetically ordered states with cold bosons in optical lattices

Araceli Venegas‐Gomez, Johannes Schachenmayer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 68被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、光学格子内の2成分超低温ボソン系において、高くエンタングルされた磁気的秩序状態の基底状態を準備するための断熱的ラーピングプロトコルを提案している。この系は有効スピン1/2およびスピン1モデルに写像可能である。行列積状態（MPS）シミュレーションを用いて、これらの状態が顕著に増大した量子フィッシャー情報（QFI）を示すことを示しており、これはメトロロジー用途としての強靭性を示している。また、fidelity（保全度）の観点からの予測よりも、エンタングルメント生成が加熱に対してより耐性があることが明らかになった。

ABSTRACT

We analyze a scheme for preparation of magnetically ordered states of two-component bosonic atoms in optical lattices. We compute the dynamics during adiabatic and optimized time-dependent ramps to produce ground states of effective spin Hamiltonians, and determine the robustness to decoherence for realistic experimental system sizes and timescales. Ramping parameters near a phase transition point in both effective spin-1/2 and spin-1 models produces entangled spin-symmetric states that have potential future applications in quantum enhanced measurement. The preparation of these states and their robustness to decoherence is quantified by computing the Quantum Fisher Information of final states. We identify that the generation of useful entanglement should in general be more robust to heating than it would be implied by the state fidelity, with corresponding implications for practical applications.

研究の動機と目的

• 光学格子内の2成分超低温ボソン系において、磁気的秩序を持つエンタングルド基底状態を強靭に準備するプロトコルの開発。
• 量子フィッシャー情報（QFI）を用いて、こうした状態の量子メトロロジーにおける有用性を定量化すること。
• 現実的な実験的条件下におけるデコherenceおよび加熱に対する断熱的状態準備の安定性の分析。
• 散逸が存在する状況における状態保全度とエンタングルメントの耐性の関係の解明。
• メトロロジー的有用なエンタングルメントを最大化するための相転移付近の最適ラーピングパラメータの同定。

提案手法

• 強い局所的相互作用を有するMott絶縁体領域における2成分ボーズ＝ハッブルモデルを用い、2次摂動論を用いて有効スピンハミルトニアンを導出する。
• サイトあたりの密度（n=1またはn=2）に応じて、有効スピン1/2 XXZモデルおよびスピン1ヘイゼンベルグモデルに写像する。
• 制御された結合次元を有する1次元系における時間発展および断熱的ラーピングを、行列積状態（MPS）技術を用いてシミュレートする。
• 最終状態の量子フィッシャー情報（QFI）を計算し、メトロロジー的有用性およびエンタングルメントの深さを定量化する。
• ギャップを持つ初期状態から、相転移点付近の目的の基底状態へと断続的かつ最適化された時間依存的ラーピングを実装する。
• 実際のデコherenceを反映させるために、シミュレーションに制御された散逸（例：加熱）を導入し、エンタングルメントおよびQFIの耐性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 断熱的ラーピングは、光学格子内の2成分超低温ボソン系において、高い保全度と耐性を有して磁気的秩序を持つエンタングルド基底状態を準備できるか？
• RQ2 有効スピン1/2およびスピン1モデルにおける相転移点付近で、最終状態の量子フィッシャー情報（QFI）は系サイズにどのように依存するか？
• RQ3 メトロロジー的有用なエンタングルメントの生成は、状態保全度の予測よりも加熱に対してどれほど耐性があるか？
• RQ4 実験的時間スケールにおいて、QFIを最大化し誤差を最小化するための最適化されたラーピングプロトコル（断続的 vs. 最適化）は何か？
• RQ5 デコherenceの存在が最終状態のQFIおよびエンタングルメントに与える影響は何か？加熱が存在しても、有用なエンタングルメントは持続可能か？

主な発見

• スピン1/2およびスピン1の有効モデルにおける相転移点付近の断熱的ラーピングは、顕著に増大した量子フィッシャー情報（QFI）を示す基底状態を生成し、量子メトロロジーへの高い可能性を示している。
• QFIは系サイズに対して非拡張的（sub-extensive）にスケーリングしており、生成されたエンタングルメントが非自明で、標準量子制限を上回る応用に有用であることを示している。
• このプロトコルは、現実的な系サイズ（最大20サイト）および実験的に関連する時間スケールにおいて、スピン対称性を有するエンタングルド状態を高い保全度で効果的に準備できた。
• 耐性分析の結果、エンタングルメント生成が状態保全度の予測よりも加熱に対してより耐性があることが判明し、QFIが保全度単体よりも実用的有用性の優れた指標である可能性が示された。
• 最適化された時間依存的ラーピングは、特に臨界点付近で、標準的な断続的プロトコルを上回り、誤差を低減しQFIを向上させた。
• 本研究では、中程度のデコherenceに対してもQFIが依然として高い水準を維持していることが確認され、加熱が存在しても実験的にアクセス可能な領域で有用なエンタングルメントが持続可能であることが示された。