[論文レビュー] Growth and preservation of entanglement in a many-body localized system

B. Chiaro, Brooks Foxen+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2019

Quantum many-body systems被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、不規則な量子系における相互作用によって誘発される多体局在化（MBL）相におけるもつれダイナミクスを、超伝導キュービットのアレイを用いて調査し、もつれの緩やかな増大と長期間にわたるベル状態の保存を実証した。有効な非局所的相互作用の観測と1次元および2次元におけるもつれエントロピーの測定を通じて、MBL相がもつれの崩壊を抑制するため、量子メモリとしての堅牢なプラットフォームであることが明らかになった。

ABSTRACT

In non-interacting systems disorder leads to Anderson localization, where particle diffusion and entanglement propagation are absent. Interactions between the constituent particles modify this picture, leading to a many-body localized (MBL) phase. A key challenge is to measure interaction induced dynamics of entanglement between the localized sites in this phase. By studying interacting photons in an array of superconducting qubits, we observe ergodicity breaking and directly measure the effective non-local interactions. We probe the entanglement signatures of MBL in 1D and 2D and observe the slow growth of entanglement entropy. Finally, we characterize the potential of the MBL phase to be used as a quantum memory by demonstrating the slow decay of entanglement of a distant bell pair. Our work elucidates the fundamental mechanisms of entanglement formation, propagation, and preservation in the MBL phase of matter.

研究の動機と目的

• 不規則な量子系における相互作用によって誘発される多体局在化（MBL）相におけるもつれダイナミクスを調査すること。
• 制御可能なプラットフォームを用いて、MBL相に生じる有効な非局所的相互作用を直接測定すること。
• もつれエントロピーの測定を通じて、1次元および2次元のMBL系におけるもつれの兆候を調査すること。
• 遠く離れたベル状態の長期間にわたるもつれ保存を評価することで、MBL相が量子メモリとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 不規則性を有するチューナブルで相互作用のある多体系を実現するため、超伝導キュービットのアレイを用いた。
• 制御されたキュービット結合を用いて有効な非局所的相互作用を設計し、MBLダイナミクスを模擬した。
• 局在化および多体効果を特徴付けるために、時間経過に伴うもつれエントロピーの増大を測定した。
• 遠く離れたベル状態を準備し、MBL相における長期間にわたるもつれ崩壊を監視した。
• 1次元および2次元の構成を比較するために、両方の次元で測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互作用を有する多体局在化系において、もつれエントロピーはどのように増大するか？
• RQ2 有効な非局所的相互作用は、MBL相におけるもつれ状態のダイナミクスにおいてどのような役割を果たすか？
• RQ3 MBL相は、空間的に分離したキュービットに対して、どのようにもつれを長期間にわたって保持するか？
• RQ4 1次元と2次元のMBL系におけるもつれダイナミクスの違いは何か？

主な発見

• MBL相においてもつれエントロピーが緩やかに増大することが観測され、熱化が抑制され、量子情報が局在化していることが示された。
• 有効な非局所的相互作用が直接プローブされ、MBL領域におけるもつれの媒介役を果たしていることが確認された。
• MBL相は、遠く離れたベル状態に対しても長期間にわたるもつれを示し、量子メモリ応用の可能性を示した。
• 1次元および2次元の両構成においてもつれダイナミクスが一貫しており、高次元における局在化効果の堅牢性が示された。