[論文レビュー] Evidence for a two-dimensional quantum glass state at high temperatures

A. V. Lunkin, Nicole Ticea+293 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2026

Quantum many-body systems被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、 superconducting qubits の2D分散スピン-1/2 配列における有限温度の非エルゴード拡張（NEE）相を報告し、ガラス様のダイナミクス、有限の Edwards-Anderson 領域順序パラメータ、拡散の崩壊を示す。

ABSTRACT

Disorder in quantum many-body systems can drive transitions between ergodic and non-ergodic phases, yet the nature--and even the existence--of these transitions remains intensely debated. Using a two-dimensional array of superconducting qubits, we study an interacting spin model at finite temperature in a disordered landscape, tracking dynamics both in real space and in Hilbert space. Over a broad disorder range, we observe an intermediate non-ergodic regime with glass-like characteristics: physical observables become broadly distributed and some, but not all, degrees of freedom are effectively frozen. The Hilbert-space return probability shows slow power-law decay, consistent with finite-temperature quantum glassiness. In the same regime, we detect the onset of a finite Edwards-Anderson order parameter and the disappearance of spin diffusion. By contrast, at lower disorder, spin transport persists with a nonzero diffusion coefficient. Our results show that there is a transition out of the ergodic phase in two-dimensional systems.

研究の動機と目的

• 分散量子多体系のゼロ温度制限を超えたエルゴード性破れの理解を促進するため、完全局在相だけでなく広義の現象を含む。
• 2次元の相互作用を持つスピン系で、分散が有限温度で非エルゴード性・ガラス様ダイナミクスを示すかを調査する。
• 輸送特性と波動関数構造を結びつけるため、実空間およびヒルベルト空間のダイナミクスを特徴づける。
• エドワーズ＝アーヤオン順序パラメータやリターン確率分布など、エルゴード、非エルゴード拡張、Many-Body Localization（MBL）領域を区別する指標を特定する。

提案手法

• XY 相互作用とランダム場を持つ2次元最近接スピン-1/2モデルを正方格子上で研究する。
• 超伝導量子ビットアレイを用いて実空間磁化ダイナミクスとヒルベルト空間のリターン確率 R(t) を測定する。
• スピン相関の長時間極限から Edwards-Anderson 領域順序パラメータ Q_EA の観測量を抽出する。
• C(t) および R(t) の時間依存性を解析し、ディラックス（べき乗則）や指数的緩和と分散 w との依存性を特定する。
• 分散強度や系サイズに応じた検証として実験結果を数値シミュレーションと比較する。

Figure 1: Phase Diagram. At low temperatures and weak disorder, the system exhibits long-range order, while strong disorder localizes the bosons. At high temperatures, weak disorder yields an ergodic diffusive phase; increasing disorder drives a transition to a glassy non-ergodic state with finite E

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散を持つ2D相互作用スピン系は、MBLを超える非エルゴード状態への有限温度転移を示すか。
• RQ2 2Dでエルゴード/非エルゴード拡張/局在の領域を区別するヒルベルト空間の署名（例：リターン確率分布）は何か。
• RQ3 実空間の緩和・拡散・Edwards-Anderson 領域順序パラメータは、分散が増大するとどう変化するか。
• RQ4 2D量子系の高温でガラス様ダイナミクス（べき乗則緩和、広い観測量分布など）の証拠はあるか。

主な発見

• 広い分散範囲にわたってガラス様の特徴を伴う中間的な非エルゴード領域の存在が示唆される。
• ヒルベルト空間のリターン確率は遅いべき乗則で減衰し、有限温度の量子ガラス性と整合する。
• 非エルゴード領域での有限の Edwards-Anderson 領域順序パラメータの onset とスピン拡散の消失を示す。
• 低分散では拡散は非ゼロの拡散係数を保つが、転移近傍で拡散が崩壊する。
• R(t) のべき乗則減衰と、系サイズに依存する指数 η が系サイズとともに超線形に増加（η ~ κ(w) n^2.4）。
• w ≳ w_c ≈ 10 で拡散の消失と残留磁化 M_infty の出現。

Figure 2: Evidence of glass formation in the frozen magnetization. a, Temporal evolution of magnetization for disorders of $w=9$ and $w=15$ (corresponding disorder patterns showed on top), revealing slower relaxation at the higher disorder. b, Time dependence of the spin glass correlation function $