[論文レビュー] Waveguide QED toolboxes for synthetic quantum matter with neutral atoms

Y. Dong, Y. S. Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1次元フォトニクスクリスタル波ガイド近辺の中性原子を用いて、長距離相互作用が集団的原子運動およびフォノンを介して媒介される複雑な量子スピンネットワークを工学的に設計可能なプログラマブルなツールボックスを提示する。この手法により、動的に生成されたゲージ場を介して2局所的および長距離SU(n)対称性を持つスピン模型のユニバーサルなシミュレーションが可能となり、合成量子物質のスケーラブルなプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

An exciting frontier in quantum information science is the realization of complex many-body systems whose interactions are designed quanta by quanta. Hybrid nanophotonic system with cold atoms has emerged as the paradigmatic platform for engineering long-range spin models from the bottom up with unprecedented complexities. Here, we develop a toolbox for realizing a fully programmable complex spin-network with neutral atoms in the vicinity of 1D photonic crystal waveguides. The enabling platform synthesizes strongly interacting quantum materials mediated by phonons from the underlying collective external motion of the atoms. We generalize our approach of universal 2-local Hamiltonians to long-range lattice models for interacting SU(n)-magnons mediated by local dynamical gauge fields.

研究の動機と目的

• 工学的長距離相互作用を備えた複雑な多体量子系を完全にプログラマブルなプラットフォームでシミュレートするための開発。
• 超低温原子系における短距離相互作用の制限を、フォトニクス波ガイドと集団的原子運動を活用することで克服するための取り組み。
• フォトニクス環境下の中性原子を用いて、ユニバーサルな2局所的および長距離スピンハミルトニアンのシミュレーションを実現するための取り組み。
• 局所的動的ゲージ場を介して、SU(n)対称性を持つマグノン模型をこのフレームワークに拡張するための取り組み。
• 調整可能で量子単位ごとの制御が可能な相互作用を備えた、合成量子物質のスケーラブルなアーキテクチャの提供。

提案手法

• 1次元フォトニクスクリスタル波ガイドを用いて、光子の交換を介して中性原子間の長距離相互作用を媒介する。
• 原子の集団的外部運動を制御し、波ガイドモード内のフォノンと結合することで相互作用を工学的に設計する。
• 制御された原子-波ガイド結合と調整可能なレーザードライブを用いて、ユニバーサル2局所ハミルトニアンを構築する。
• 局所的動的ゲージ場を導入し、SU(n)対称性を持つマグノン模型における長距離相互作用を媒介する。
• 原子と波ガイドモードとの強い結合に基づく有効スピンハミルトニアンの理論的枠組みを採用する。
• 相互作用範囲と対称性を調整可能な複雑な格子模型をサポートするように、このアプローチを一般化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性原子とフォトニクス波ガイドを用いて、完全にプログラマブルな方法で長距離スピン相互作用をどのように工学的に実現できるか？
• RQ2 集団的原子運動とフォノンは、有効スピン-スピン相互作用を媒介するために果たす役割は何か？
• RQ3 このプラットフォームは、高い調整性とスケーラビリティを備えて、ユニバーサル2局所ハミルトニアンをシミュレート可能か？
• RQ4 このアーキテクチャにおいて、動的に生成されたゲージ場を介して、SU(n)対称性を持つマグノン模型をどのように実現できるか？
• RQ5 このツールボックスを、長距離で、かつ対称性に保護された相互作用を有する複雑な格子幾何構造に拡張することは可能か？

主な発見

• プラットフォームは、原子-波ガイド結合の工学的設計と集団的運動を介して、ユニバーサル2局所スピンハミルトニアンのシミュレーションを可能にする。
• 長距離相互作用は、集団的原子運動に起因するフォノンを介して媒介され、調整可能な相互作用範囲を実現する。
• 局所的動的ゲージ場を介して、SU(n)対称性を持つマグノン模型の実現がフレームワークで可能となる。
• システムは、相互作用の量子単位ごとの設計を可能とし、多体ハミルトニアンに対する前例のない制御を提供する。
• 複雑なスピンネットワークを有する合成量子物質のスケーラブルなアーキテクチャを提供する。