[論文レビュー] Observation of entanglement propagation in a quantum many-body system

Petar Jurcevic, B. P. Lanyon+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2014

Quantum many-body systems参考文献 34被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、1次元の捕獲イオン量子スピン系において、磁気励起子（magnon）準粒子を介したもつれの伝播を実験的に観測し、長距離相互作用が準粒子の速度を発散させ、Lieb-Robinson光円錐境界を破る原因となることを示した。これにより、短距離相互作用モデルでは説明できない新たな量子ダイナミクスが明らかになった。

ABSTRACT

The key to explaining a wide range of quantum phenomena is understanding how entanglement propagates around many-body systems. Furthermore, the controlled distribution of entanglement is of fundamental importance for quantum communication and computation. In many situations, quasiparticles are the carriers of information around a quantum system and are expected to distribute entanglement in a fashion determined by the system interactions. Here we report on the observation of magnon quasiparticle dynamics in a one-dimensional many-body quantum system of trapped ions representing an Ising spin model. Using the ability to tune the effective interaction range, and to prepare and measure the quantum state at the individual particle level, we observe new quasiparticle phenomena. For the first time, we reveal the entanglement distributed by quasiparticles around a many-body system. Second, for long-range interactions we observe the divergence of quasiparticle velocity and breakdown of the light-cone picture that is valid for short-range interactions. Our results will allow experimental studies of a wide range of phenomena, such as quantum transport, thermalisation, localisation and entanglement growth, and represent a first step towards a new quantum-optical regime with on-demand quasiparticles with tunable non-linear interactions.

研究の動機と目的

• 制御された準粒子励起を用いて、量子多体系におけるもつれ伝播のダイナミクスを観測すること。
• 長距離スピンスピン相互作用がもつれ伝播の速度および構造に与える影響を調査すること。
• べき乗則に従って減衰する相互作用を有する系におけるLieb-Robinson境界の妥当性を検証すること。
• 調整可能な捕獲イオン量子シミュレータにおいて、非局所的量子相関および準粒子的挙動の出現を探索すること。
• 制御された多体系において、量子輸送、熱化、もつれ成長を研究するためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 長距離相互作用を調整可能な1次元7イオン鎖を用いて、Isingスピン模型を模擬した。
• 二色のレーザー場を用いて、べき乗則に従う減衰（J_ij ∝ 1/|i-j|^α）を有するスピンスピン結合を設計し、相互作用範囲を制御可能とした。
• 中央スピンの局所的クエンチを実行して準粒子励起を生成し、1サイト量子状態トモグラフィーを用いてもつれ成長をモニタリングした。
• 実験的相互作用行列から準粒子分散関係を測定し、α = 1.36のべき乗則にフィットした。
• ハミルトニアンの正確な対角化を用いた1励起状態における数値シミュレーションと、実験的もつれ伝播を比較した。
• 修正ベッセル関数を用いてLieb-Robinson境界を評価し、長距離系における光円錐限界の破れを定量的に評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離相互作用を有する1次元量子多体系において、準粒子はもつれをどのように分布させるか？
• RQ2 距離に応じてべき乗則に従って減衰する相互作用を持つ場合、Lieb-Robinson速度境界は依然として有効か？
• RQ3 相互作用範囲ともつれ伝播の有効速度の関係は何か？
• RQ4 捕獲イオン量子シミュレータにおいて、相互作用範囲の増大に伴い準粒子分散関係はどのように変化するか？
• RQ5 もつれ伝播の実験的観測は、短距離モデルを超える非局所的量子ダイナミクスの兆候を明らかにできるか？

主な発見

• 捕獲イオン量子多体系において、磁気励起子準粒子を介したもつれ伝播が、初めて直接観測された。
• 測定された準粒子群速度は、フィットした分散関係の最も急な勾配と整合し、v_g^max ≈ 0.46 J/hに達した。
• 相互作用範囲が増大する（α ≈ 1.36）に伴い、準粒子速度は最近隣のLieb-Robinson境界を超過し、光円錐像の破綻を示した。
• 数値シミュレーションおよび修正ベッセル関数を用いた解析的境界と一致して、実験的信号は最近隣のLieb-Robinson境界が許容する範囲を越えて速く伝播した。
• N=7イオンの測定された相互作用行列J_ijは、指数α = 1.36のべき乗則に従うことが確認され、調整可能な長距離相互作用が実現された。
• 本研究は、長距離相互作用が準粒子速度の発散および非局所的もつれダイナミクスを引き起こし、従来の量子情報速度制限に挑戦することを示した。