[論文レビュー] Direct measurement of non-local interactions in the many-body localized phase

B. Chiaro, C. Neill+59 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、超伝導キュービットプラットフォームを用いて位相に依存するプロトコルを適用し、多体局在化（MBL）相における非局所的相互作用を実験的に測定した。単一および二キュービットの密度行列をトモグラフィー的に再構成することで、局所的整数運動量（LIOM）をマッピングし、対数的増加のエンタングルメントと持続的な量子相関を直接観測した。これにより、非局所的デコherence相互作用が存在するにもかかわらず、MBL系が初期エンタングルメントの記憶を長時間にわたり保持することを示した。

ABSTRACT

The interplay of interactions and strong disorder can lead to an exotic quantum many-body localized (MBL) phase. Beyond the absence of transport, the MBL phase has distinctive signatures, such as slow dephasing and logarithmic entanglement growth; they commonly result in slow and subtle modification of the dynamics, making their measurement challenging. Here, we experimentally characterize these properties of the MBL phase in a system of coupled superconducting qubits. By implementing phase sensitive techniques, we map out the structure of local integrals of motion in the MBL phase. Tomographic reconstruction of single and two qubit density matrices allowed us to determine the spatial and temporal entanglement growth between the localized sites. In addition, we study the preservation of entanglement in the MBL phase. The interferometric protocols implemented here measure affirmative correlations and allow us to exclude artifacts due to the imperfect isolation of the system. By measuring elusive MBL quantities, our work highlights the advantages of phase sensitive measurements in studying novel phases of matter.

研究の動機と目的

• 多体局在化（MBL）相における局所的整数運動量（LIOM）の構造を実験的に調べること。
• 不規則な量子系における遅いデコherenceおよび対数的エンタングルメント増加を引き起こす非局所的相互作用を測定すること。
• エンタングルメント効率化プロトコルを用いてMBL相における量子相関の保存を実証すること。
• エンタングルメントの形成（EOF）や効率的エンタングルメント（DE）といった肯定的な相関測度を用いて、MBLダイナミクスがオープン系効果に対してどれほど頑健であるかを検証すること。

提案手法

• 可調節な局所的不規則性とハッブル相互作用を有する不規則なボーズ＝ハッブルハミルトニアンを実現するため、1次元および2次元の結合超伝導キュービットアレイを用いた。
• 不完全な遮断に起因するアーティファクトを除外するため、非局所的相関を測定する位相に依存する干渉計的プロトコルを実装した。
• 単一および二キュービット部分系における量子状態トモグラフィーを実施し、密度行列を再構成し、エンタングルメントダイナミクスを抽出した。
• 時間経過に伴う空間的に分離したキュービット間の相関を定量化するため、エンタングルメントの形成（EOF）と効率的エンタングルメント（DE）を測定した。
• 効率的エンタングルメントの下界を提供するため、対数的ノーマル化と整合性情報の両方を用いて、量子相関の持続性を評価した。
• 不規則性強度wの変化下での局在化長さξの分布を分析することで、局在化軌道（LIOM）の空間的構造をマッピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非局所的相互作用は、多体局在化相におけるエンタングルメントダイナミクスにどのように現れるか？
• RQ2 不規則性の下で、MBL相における局所的整数運動量（LIOM）は、空間的に変化する局在化長さをどの程度示すか？
• RQ3 位相に依存する測定が、遅いデコherenceおよび対数的エンタングルメント増加を駆動する非局所的相互作用の構造を直接プローブできるか？
• RQ4 エンタングルメントのモノゴミー性は、高次元MBL系における量子相関の持続性にどのように影響するか？
• RQ5 MBL相は、初期の量子相関（例えばベル状態のエンタングルメント）を長時間にわたり記憶するのか？

主な発見

• 非局所的相互作用は位相に依存する干渉計的プロトコルを用いて直接測定され、遅いデコherenceおよび対数的エンタングルメント増加を引き起こす役割を確認した。
• 2次元系では、モノゴミーの性質により、エンタングルメントの形成（EOF）が時間経過とともに減少した。これは、部分系キュービットが環境キュービットと相関を共有することで、それらの間の相互エンタングルメントが減少したためである。
• 遠く離れた外部光子がベル状態と離れている場合、効率的エンタングルメント（DE）は複数のホッピング時間にわたり有限のままであり、初期の量子相関の長寿命記憶を示した。
• 整合性情報（DEの下界を提供）は、外部光子を近づけると早期にゼロに近づき、非局所的結合の強化に起因する急速なデコherenceを示した。
• MBL相では、系が初期の量子相関を記憶しており、特に不規則性が高く、空間的距離が大きい場合に、DEが長時間にわたり持続した。
• 密度行列のトモグラフィー的再構成により、LIOMの空間的構造が局在化長さξの分布によって支配されており、不規則性強度wの増加に伴いその値が減少することが明らかになった。