[論文レビュー] Prethermal Dynamical Localization and the Emergence of Chaos in a Kicked Interacting Quantum Gas

Alec Cao, Roshan Sajjad+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Nonlinear Dynamics and Pattern Formation被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、周期的な光学キックを受ける可調節相互作用を有するボーズ＝アインシュタイン凝縮系において、前熱的動的局在化を実験的に示した。相互作用に起因する異常拡散が現れるまでの長寿命な局在プラトーが観測された。エコー実験により、相互作用が時間反転対称性を破ることを確認し、多体量子カオスへの動的転移を明らかにした。本研究は、駆動される相互作用系における量子情報の保護に向けた示唆を示している。

ABSTRACT

While ergodicity is a fundamental postulate of statistical mechanics and implies that driven interacting systems inevitably heat, ergodic dynamics can be disrupted by quantum interference. Despite a quarter-century of experimental studies, the effect of many-body interactions on the resulting dynamically localized state has remained unexplored. We report the experimental realization of a tunably-interacting kicked quantum rotor ensemble using a Bose-Einstein condensate in a pulsed optical lattice. We observe a prethermal localized plateau, which survives for hundreds of kicks, followed by interaction-induced anomalous diffusion. Echo-type time reversal experiments establish the role of interactions in destroying reversibility, and a mapping to kicked spin models illustrates connections to many-body dynamical localization in spin chains. These results demonstrate a dynamical transition to many-body quantum chaos, and illuminate and delimit possibilities for globally protecting quantum information in interacting driven quantum systems.

研究の動機と目的

• 駆動量子系における多体相互作用が動的局在状態に与える影響を調査すること。
• 可調節相互作用が存在する中で、前熱化および動的局在化が継続するかを調査すること。
• 相互作用が量子時間反転対称性を破り、カオスを引き起こす役割を特定すること。
• 系をキックされたスピンモデルに写像し、多体局在現象への広範な関連性を明らかにすること。
• 駆動される相互作用系において、量子情報がどのようにして長期間にわたり保護されるかの条件を同定すること。

提案手法

• パulses光格子に閉じ込められたボーズ＝アインシュタイン凝縮を用いて、可調節相互作用を持つキックされた量子ローターを実現すること。
• 系を駆動し、長時間にわたるダイナミクスを調べるために周期的なキックを適用すること。
• 数100回のキックにわたって系の応答を測定し、前熱的局在プラトーを観測すること。
• 時間反転実験（エコー型）を実施し、量子時間反転対称性の破れと相互作用に起因する不可逆性を評価すること。
• 超低温原子系を有効なキックされたスピンモデルに写像し、スピンチェーンのダイナミクスと関連づけること。
• 系の時間発展を分析し、異常拡散および動的局在化の兆候を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キックされた量子系に多体相互作用が導入された場合、前熱的局在プラトーは維持されるか？
• RQ2 相互作用は、駆動される多体系における量子ダイナミクスの時間反転対称性にどのように影響するか？
• RQ3 相互作用が存在する中で、局在からカオスへの動的転移の性質は何か？
• RQ4 観測されたダイナミクスは、スピンチェーンにおける多体局在モデルにどの程度まで写像可能か？
• RQ5 これらのダイナミクスは、駆動される量子系における量子情報の長期的保護にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 可調節相互作用を有するキックされたローター系において、数100回のキックにわたって持続する長寿命な前熱的局在プラトーが観測された。
• 相互作用が異常拡散を引き起こし、動的局在化の破綻と量子カオス的挙動への転移を示唆した。
• エコー実験により、相互作用が量子時間反転対称性を破ることを実証し、カオスの出現を確認した。
• 系は、不可逆なダイナミクスとコherentlyの喪失を伴い、多体量子カオスへの動的転移を示した。
• キックされたスピンモデルへの写像により、超低温原子系とスピンチェーンの多体局在モデルとの間の関連性が明らかになった。
• 本研究の結果は、相互作用を有する周期的駆動量子系において、量子情報がグローバルに保護される条件を明確にした。