[論文レビュー] Interspecies entanglement with impurity atoms in a bosonic lattice gas

Saubhik Sarkar, S. McEndoo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、強い相互作用を示す一次元系において、不純物原子とボソン格子ガスとの間の種間もつれが、いずれの種別に対しても測定に与える影響を調査する。解析的少数粒子法と密度行列密度行列縮約法（DMRG）シミュレーションを組み合わせることで、不純物の力学的挙動が、多数派種の多体状態をプローブできることを示している。また、もつれが最小限に抑えられるパラメータ領域を特定し、非破壊的プローブが可能になることも明らかにした。

ABSTRACT

The dynamics of impurity atoms introduced into bosonic gases in an optical lattice have generated a lot of recent interest, both in theory and experiment. We investigate to what extent measurements on either the impurity species or the majority species in these systems are affected by their interspecies entanglement. This arises naturally in the dynamics and plays an important role when we measure only one species. We explore the corresponding effects in strongly interacting regimes, using a combination of few-particle analytical calculations and Density Matrix Renormalisation group methods in one dimension. We identify how the resulting effects on impurities can be used to probe the many-body states of the majority species, and separately ask how to enter regimes where this entanglement is small, so that the impurities can be used as probes that do not significantly affect the majority species. The results are accessible in current experiments, and provide important considerations for the measurement of complex systems with using few probe atoms.

研究の動機と目的

• 不純物原子とボソン格子ガスとの種間もつれが、いずれの種別に対しても測定に与える影響を理解すること。
• 不純物の力学的挙動が、多数派ボソン種の多体状態をどのようにプローブできるかを特定すること。
• もつれが最小限に抑えられる実験的領域を同定し、不純物が干渉のないプローブとして機能できる条件を明らかにすること。
• 少数プローブ原子を用いて、複雑な量子多体系を測定するための実験的にアクセス可能な知見を提供すること。

提案手法

• 強い相関領域を研究するために、少数粒子の解析的計算と一次元密度行列縮約法（DMRG）を組み合わせる。
• 不純物原子の力学的挙動をボソン光学格子内でモデル化し、種間もつれの出現に注目する。
• 不純物または多数派種に対する測定結果を分析し、もつれの影響を評価する。
• 相互作用強度や格子の深さといった制御パラメータが、もつれの度合いをどのように調整できるかを同定する。
• 解析的解が限られる強い相互作用系をDMRGでシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボソン格子ガスにおいて、種間もつれは不純物または多数派種の測定にどのように影響を与えるか？
• RQ2 不純物と多数派種との間のもつれが最小限に抑えられるパラメータ領域はどのようなものか？
• RQ3 不純物の力学的挙動は、ボソン的背景の多体状態を信頼できるプローブとして機能できるか？
• RQ4 不純物原子の力学的挙動に現れるもつれの測定可能なシグネチャーは何か？

主な発見

• 種間もつれは、特に強い相互作用領域において、片方の種別のみを観測する場合に測定結果に顕著な影響を与える。
• 不純物の力学的挙動を用いることで、基礎となるボソン格子ガスの多体相関をプローブできる。
• もつれが抑制される領域が存在し、その場合不純物は多数系に対する非破壊的プローブとして機能できる。
• 結果は現在の超低温原子実験でアクセス可能であり、理論的予測の直接的な実験的検証が可能である。