[論文レビュー] Observation of many-body scarring in a Bose--Hubbard quantum simulator

Guo-Xian Su, Hui Sun+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、傾いた光格子を用いてPXP模型を模擬するボーズ・ハバード量子シミュレータを用いて、多体量子スカラリングの実証を行った。以前は急速に熱化すると考えられていた有限のデチューニングにおけるユニットフィルイン状態に系を準備することで、持続的なリバーブとエンタングルメント抑制を観測し、スカラリングが多様な初期状態から生じ、周期的駆動下でも安定であることを確認した。

ABSTRACT

The ongoing quest for understanding nonequilibrium dynamics of complex quantum systems underpins the foundation of statistical physics as well as the development of quantum technology. Quantum many-body scarring has recently opened a window into novel mechanisms for delaying the onset of thermalization by preparing the system in special initial states, such as the $\mathbb{Z}_2$ state in a Rydberg atom system. Here we realize many-body scarring in a Bose-Hubbard quantum simulator from previously unknown initial conditions such as the unit-filling state. We develop a quantum-interference protocol for measuring the entanglement entropy and demonstrate that scarring traps the many-body system in a low-entropy subspace. Our work makes the resource of scarring accessible to a broad class of ultracold-atom experiments, and it allows one to explore the relation of scarring to constrained dynamics in lattice gauge theories, Hilbert space fragmentation, and disorder-free localization.

研究の動機と目的

• Z2秩序付き初期状態にとどまらず、よりアクセスしやすい初期状態（ユニットフィルイン状態）においても多体スカラリングの観測を拡張すること。
• 急速な熱化が予想される大規模な超低温原子系においても、スカラリングが量子力学的ダイナミクスを安定化できることを示すこと。
• 多体系におけるエンタングルメントエントロピーを測定するための量子干渉プロトコルの開発および実装。
• スカラリング、ヒルベルト空間の断片化、制約付きダイナミクスの関係を量子シミュレータにおいて探ること。
• 周期的駆動がスカラートレースの安定化と熱化の抑制に果たす役割を調査すること。

提案手法

• スピン依存性のスーパー格子を用いた傾いた光格子を用いて、ボーズ・ハバード系でPXP模型を実現した。
• 同一のコピーを二重井戸構造で同時に重ね合わせることで、量子干渉プロトコルを用いてエンタングルメントエントロピーを測定した。
• 半チェーンの二部分割エンタングルメントエントロピーの代理として、単一サイトの部分系エントロピーを用い、低エントロピー部分空間のダイナミクスを推定した。
• 従来のZ2状態とは異なる、有限のデチューニングにおけるユニットフィルイン初期状態を準備した。
• スカラートレースの安定化と量子リバーブの延長を図るために、周期的駆動を適用した。
• 数値シミュレーションを実施し、既知のスカラートレースと比較することで、観測結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユニットフィルイン初期状態を用いたボーズ・ハバード量子シミュレータにおいて、かつては急速に熱化すると考えられていた状態でも多体スカラリングが観測可能か？
• RQ2 エンタングルメントエントロピーが抑制されたままであるか。これは低エントロピー部分空間への捕獲を示唆するか？
• RQ3 周期的駆動が、この系におけるスカラードダイナミクスの安定性と可視性を向上させられるか？
• RQ4 スカラーステートが存在する状況において、測定された単一サイトのエントロピーと半チェーンの二部分割エントロピーの関係は？
• RQ5 ヒルベルト空間の断片化と制約付きダイナミクスが、特殊でない初期状態からもスカラリングを可能にする役割を果たすか？

主な発見

• 有限のデチューニングにおけるユニットフィルイン初期状態は、急速な熱化が予想される中でも持続的な量子リバーブを示し、多体スカラリングの存在を示している。
• 平均的な単一サイトのエンタングルメントエントロピーは、熱的値よりも顕著に低く保たれ、低エントロピー部分空間への捕獲が確認された。
• 周期的駆動によりリバーブの可視性と寿命が向上し、スカラードダイナミクスの制御が可能であることが示された。
• 測定された単一サイトのエントロピーは、半チェーンの二部分割エントロピーと強く相関しており、局所的測定をグローバルエンタングルメントの代理として用いる妥当性が裏付けられた。
• エンタングルメント成長が抑制され、熱化が遅延する現象が観測され、断片化したヒルベルト空間内にスカラートレースが存在する状況と整合的であった。
• 数値解析により、観測されたダイナミクスがPXPモデルとスカラートレースの存在と整合的であり、伝統的ではない初期状態からでも同様の結果が得られることを確認した。