[論文レビュー] Measuring Fermionic Entanglement - Entropy and Negativity

Eyal Cornfeld, Eran Sela+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Quantum many-body systems被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、複数の同一量子状態、空間的に一様なビームスプリッタ、および局所的占有数測定を用いてフェルミ粒子系の量子もつれを測定する実験的手順を導入する。これにより、任意の次数のRényiもつれエントロピーおよびもつれネガティビティを抽出可能となり、局所的クエンチ後のもつれ成長のシミュレーションや、非自明なスピン構造を持つ多様体上の量子シミュレーションへの応用が示された。

ABSTRACT

The recent direct experimental measurement of quantum entanglement paves the way towards a better understanding of many-body quantum systems and their correlations. Nevertheless, the experimental and theoretical advances had so far been predominantly limited to bosonic systems. Here, we study fermionic systems. Using experimental setups where multiple copies of the same state are prepared, arbitrary order Renyi entanglement entropies and entanglement negativities can be extracted by utilizing spatially-uniform beam splitters and on-site occupation measurement. As an example, we simulate the use of our protocols for measuring the entanglement growth following a local quench. We also illustrate how our paradigm could be used for experimental quantum simulations of fermions on manifolds with nontrivial spin structures.

研究の動機と目的

• 従来ボソン系に限定されていた実験的もつれ測定技術をフェルミ粒子多体系へ拡張すること。
• Rényiエントロピーおよびネガティビティを含むフェルミ粒子系のもつれ測定指標に対する直接的な実験的アクセスの欠如に応えること。
• 標準的な量子シミュレーションツールを用いてフェルミ粒子系のもつれを測定可能な、スケーラブルなコピーベースのプロトコルを開発すること。
• 局所的クエンチ後のもつれダイナミクスを測定する可能性を実証すること。
• 非自明なスピン構造を持つ多様体上のフェルミ粒子系の実験的量子シミュレーションを、もつれ観測量を用いて可能にすること。

提案手法

• 量子シミュレータに準備されたフェルミ粒子系の量子状態の複数の同一コピーを用いる。
• 空間的に一様なビームスプリッタを適用してコピー間をもつれさせ、干渉を介してもつれ指標を抽出可能にする。
• 出力モードにおける局所的占有数測定を実行し、縮約密度行列のモーメントを再構成する。
• 測定されたモーメントを用いて、任意の次数のRényiもつれエントロピーおよびもつれネガティビティを計算する。
• ビームスプリッタの対称性と一様性を活用して、非局所的相関の測定におけるスケーラビリティとロバストネスを確保する。
• 測定設定にトポロジカルな自由度を符号化することで、非自明なスピン構造を持つ多様体上のフェルミ粒子系のシミュレーションにプロトコルを適応させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のコピーと標準的な量子シミュレーション部品を用いて、フェルミ粒子系のもつれを実験的に測定可能か？
• RQ2 フェルミ粒子系において、局所的測定からRényiもつれエントロピーおよびもつれネガティビティをどのように抽出できるか？
• RQ3 本プロトコルを用いて、フェルミ粒子系における局所的クエンチ後のもつれ成長を測定可能か？
• RQ4 本フレームワークを非自明なスピン構造を持つ多様体上のフェルミ粒子系のシミュレーションに拡張可能か？
• RQ5 空間的に一様なビームスプリッタの使用が、フェルミ粒子状態における非局所的もつれの測定をどのように可能にするか？

主な発見

• 本プロトコルにより、複数のコピーと局所的測定を用いて、フェルミ粒子系における任意の次数のRényiもつれエントロピーの実験的測定が可能となった。
• 同じフレームワークを用いてもつれネガティビティを抽出でき、フェルミ粒子状態における非局所的・非古典的相関の尺度が得られた。
• 空間的に一様なビームスプリッタと対称的測定手順の使用により、本手法はスケーラブルでロバストであることが保証された。
• 本プロトコルは、局所的クエンチ後のもつれ成長を効果的にシミュレートでき、動的量子相関の研究における有用性が実証された。
• 測定基底にトポロジカル特徴を符号化することで、非自明なスピン構造を持つ多様体上のフェルミ粒子系のシミュレーションに本フレームワークを適応可能にした。
• 本手法により、従来理論的解析に限定されていたフェルミ粒子多体系におけるもつれへの直接的な実験的アクセスが可能となった。