[논문 리뷰] Active quantum flocks

Reyhaneh Khasseh, Sascha Wald외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 03.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 방향성 있는 비평형 양자 다체계인 활성 양자 무리—1차원 격자에서 경직된 보존이 방향성 있는 비가역성과 양자 스핀 반전 동역학을 통해 집단적이고 일관된 운동을 보이는 시스템—을 소개한다. 주요 발견은 장거리 양자 일관성과 자발적 극성 대칭 깨짐으로, 이는 대규모 거리에서 비틀림 없이 일관된 운동을 하는 양자 무리의 존재를 시사하며, 라이드버그 원자 어레이에서 실현 가능하다.

ABSTRACT

Flocks of animals represent a fascinating archetype of collective behavior in the macroscopic classical world, where the constituents, such as birds, concertedly perform motions and actions as if being one single entity. Here, we address the outstanding question of whether flocks can also form in the microscopic world at the quantum level. For that purpose, we introduce the concept of active quantum matter by formulating a class of models of active quantum particles on a one-dimensional lattice. We provide both analytical and large-scale numerical evidence that these systems can give rise to quantum flocks. A key finding is that these flocks, unlike classical ones, exhibit distinct quantum properties by developing strong quantum coherence over long distances. We propose that quantum flocks could be experimentally observed in Rydberg atom arrays. Our work paves the way towards realizing the intriguing collective behaviors of biological active particles in quantum matter systems. We expect that this opens up a path towards a yet totally unexplored class of nonequilibrium quantum many-body systems with unique properties.

연구 동기 및 목표

• 비틀림 행동(조류 무리 등 고전적 활성 물질에서 흔한 행동)이 양자 시스템에서 나타날 수 있는지 탐구하는 것.
• 격자상의 양자 입자를 위한 동역학적 과정을 정의하여 활성 양자 물질에 대한 이론적 프레임워크를 수립하는 것.
• 다른 양자 일관성과 대칭 깨짐을 특징으로 하는 양자 무리상태를 식별하고 특성화하는 것.
• 고전적 활성 물질과 양자 다체 물리학 사이의 다리를 놓고, 비평형 양자 시스템 분야에서 새로운 길을 여는 것.

제안 방법

• 방향성 있는 비가역성(왼쪽으로 이동하는 ↑, 오른쪽으로 이동하는 ↓)을 강도 Γ로 갖는 1차원 격자상의 이종 보존 모델을 수립한다.
• 양자 동역학과 얽힘을 가능하게 하는 강도 h를 갖는 일관된 스핀 반전 과정을 도입한다.
• 국소 자화에 따라 변하는 조건부 비가역적 스핀 반전 과정을 통합하여 정렬과 군집화를 가능하게 한다.
• 열역학적 극한에서 개략화된 유체역학적 기술을 유도하기 위해 리인블라드 마스터 방정식을 사용하여 개방 양자 동역학을 기술한다.
• 1000개의 궤적을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 바인더 누적도 U(t)를 계산하고 대칭 깨짐을 분석한다.
• 밀도와 자화에 대한 가우시안 변동 분석을 수행하여 개략화된 동역학을 위한 확률적 편미분 방정식을 유도한다.

Figure 1: Active quantum flocks. A The introduced model for active quantum matter involves two species of hard-core bosons ( $\uparrow,\downarrow)$ on a one-dimensional lattice subject to three types of dynamical processes. The particles perform a dissipative directed motion at a rate $\Gamma$ with

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 무리와 유사한 집단적이고 일관된 운동이 양자 다체계에서 나타날 수 있는가?
• RQ2 이러한 양자 무리상태는 고전적 무리상태와 무엇이 다른가?
• RQ3 활동적인 동역학을 갖는 비평형 양자 시스템에서 양자 일관성이 어떻게 나타나는가?
• RQ4 양자 일관성과 대칭 깨짐이 활성 양자 물질에서 장거리 질서를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 약한 양자 강도 h=0.2일 경우, 큰 시스템 크기에서 바인더 누적도 U는 2/3에 수렴하며, 자발적 극성 대칭 깨짐과 양자 무리상태의 특징인 장거리 질서를 나타낸다.
• 강한 h=3.0일 경우, 시스템 크기가 증가함에 따라 바인더 누적도는 0에 수렴하며, 장거리 질서가 없는 무질서 상태를 시사한다.
• 개략화된 동역학에서 안정적인 이동하는 도메인 벽 해가 존재하여 입자 군집의 지속적인 일관된 운동을 나타낸다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 약한 노이즈를 갖는 균일한 초깃 Zustand이 이동하는 파tern 패턴으로 진화함을 보여주며, 균일 상태의 불안정성과 무리 행동의 기원을 확인한다.
• 개략화된 유체역학 방정식은 밀도와 자화의 가우시안 변동이 이동하는 도메인 벽의 안정성과 동역학에 기여함을 드러낸다.
• 모델은 라이드버그 원자 어레이에서 양자 무리가 실현 가능하다고 예측하며, 관측에 적합한 실험 플랫폼을 제공한다.

Figure 2: Phase diagram. Numerically obtained phase diagram with indicated error bars as a function of the alignment parameter $K$ and the quantum amplitude $h$ including representative many-body configurations. The numerical uncertainty for the estimate of the phase transition points is indicated b