[論文レビュー] Realizing discrete time crystal in an one-dimensional superconducting qubit chain

Huikai Xu, Jing-Ning Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2021

Quantum many-body systems参考文献 14被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、Floquet工学を用いて、8つの容量結合されたトランモンキュービットからなる一次元超伝導トランモンキュービット鎖において、離散的時間結晶（DTC）相の実験的実現を示している。周期的駆動を8つの容量結合トランモンキュービットに施すことにより、長寿命な周期2倍の振動——離散的時間並進対称性の破れの証拠——を観測した。これはキュービットのコherences時間によって制限されるのみであり、スケーラブルな超伝導プラットフォームにおけるDTC相の存在を確認した。

ABSTRACT

Floquet engineering, i.e. driving the system with periodic Hamiltonians, not only provides great flexibility in analog quantum simulation, but also supports phase structures of great richness. It has been proposed that Floquet systems can support a discrete time-translation symmetry (TTS) broken phase, dubbed the discrete time crystal (DTC). This proposal, as well as the exotic phase, has attracted tremendous interest among the community of quantum simulation. Here we report the observation of the DTC in an one-dimensional superconducting qubit chain. We experimentally realize long-time stroboscopic quantum dynamics of a periodically driven spin system consisting of 8 transmon qubits, and obtain a lifetime of the DTC order limited by the coherence time of the underlying physical platform. We also explore the crossover between the discrete TTS broken and unbroken phases via various physical signatures. Our work extends the usage of superconducting circuit systems in quantum simulation of many-body physics, and provides an experimental tool for investigating non-equilibrium dynamics and phase structures.

研究の動機と目的

• 周期的駆動を施した多体量子系において、超伝導キュービットを用いて離散的時間結晶（DTC）相を実現し、観測すること。
• 制御可能な量子プラットフォームにおいて、離散的時間並進対称性（TTS）の破れた相と破れていない相の間の遷移を調査すること。
• 非平衡量子相のアナログ量子シミュレーションとして、超伝導回路の有用性を示すこと。
• 不純度や駆動パラメータを変化させた場合のDTC秩序の寿命と安定性を調査すること。

提案手法

• 時間周期的ハミルトニアン $ H(t) = H(t+T) $ を用いて、8つの容量結合トランモンキュービットアレイにFloquet工学を適用した。
• ストロボスコピックなダイナミクスは、時間orderedな時間発展演算子 $ \hat{U}(t) = \hat{P}(t)e^{-iH_F t} $ から導かれる有効Floquetハミルトニアン $ H_F $ によって支配される。
• 調節可能なラビ周波数 $ t_2 $ と不純度強度 $ \epsilon $ を用いて、DTCと熱化する領域の間の相転移を制御した。
• 磁化ダイナミクスの量子状態トモグラフィーとフーリエ解析を用いて、周期2倍の特徴としての $ \pi/T $ ピーク高さを抽出した。
• DTC秩序の寿命は、$ \pi/T $ ピーク高さの減衰を二重指数関数関数 $ f(t) = \sum_{i=1,2} C_i e^{-t/\tau_i} + C_0 $ でフィッティングすることによって定量化した。
• 相境界は100回の不純度実現におけるピーク高さの分散を用い、臨界点を特定するためのローレンツ型関数へのフィッティングによって特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Floquet工学を用いて、超伝導キュービット鎖で離散的時間結晶相を実験的に実現できるか？
• RQ2 DTC秩序の寿命は、不純度強度や駆動パラメータにどのように依存するか？
• RQ3 系はどのようにして離散的TTS破れた相と破れていない相の間を遷移するか？
• RQ4 ピーク高さや結晶的分率といった物理的シグネチャは、DTC相を識別するためにどのように用いることができるか？

主な発見

• 8キュービットの超伝導トランモン鎖においてDTC相が実験的に観測され、周期2倍の振動が20個以上の駆動周期にわたり持続した。
• 駆動周期 $ t_2 = 25 $ ns のとき、不純度強度 $ \epsilon \leq 0.12 $ の範囲でDTC秩序の寿命がほぼ一定であり、DTC相の安定性を示した。
• $ \epsilon > 0.12 $ の場合、DTC秩序の寿命が著しく減少し、熱化の進行と対称性の破れの喪失に一致した。
• ピーク高さと結晶的分率の両方が、不純度が増加するに従い、滑らかにDTC相から熱化する相へとクロスオーバーした。
• 不純度実現ごとのピーク高さ分散を用いた解析により、DTC相とTTS未破れ相の相境界が特定され、臨界点 $ \epsilon_0 \approx 0.12 $ が特定された。
• DTC秩序の寿命は、結局のところトランモンキュービットのコherences時間によって制限されており、デコherenceが崩壊の主因であることを確認した。