[논문 리뷰] Colloquium: Quantum and Classical Discrete Time Crystals

Michael P. Zaletel, Mikhail D. Lukin외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 15.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 11

한 줄 요약

tldr: 양자 및 고전 이산 시간 결정의 심층 검토로, 이산 시간 결정이 에르고데시티 파괴를 통해 어떻게 나타나는지에 대한 이론적 프레임워크와 실험 플랫폼을 포함합니다.

ABSTRACT

The spontaneous breaking of time translation symmetry has led to the discovery of a new phase of matter - the discrete time crystal. Discrete time crystals exhibit rigid subharmonic oscillations, which result from a combination of many-body interactions, collective synchronization, and ergodicity breaking. This Colloquium reviews recent theoretical and experimental advances in the study of quantum and classical discrete time crystals. We focus on the breaking of ergodicity as the key to discrete time crystals and the delaying of ergodicity as the source of numerous phenomena that share many of the properties of discrete time crystals, including the AC Josephson effect, coupled map lattices, and Faraday waves. Theoretically, there exists a diverse array of strategies to stabilize time crystalline order in both closed and open systems, ranging from localization and prethermalization to dissipation and error correction. Experimentally, many-body quantum simulators provide a natural platform for investigating signatures of time crystalline order; recent work utilizing trapped ions, solid-state spin systems, and superconducting qubits will be reviewed. Finally, this Colloquium concludes by describing outstanding challenges in the field and a vision for new directions on both the experimental and theoretical fronts.

연구 동기 및 목표

• 시간-변환 대칭성의 자발적 파괴 개념을 소개하고 명확히 한다.
• 닫혀 있거나 열려 있는 시스템에서 시간 결정질 질서를 안정화하기 위한 이론적 프레임워크를 종합한다.
• 다양한 물리적 시스템에서의 시간 결정질 거동의 실험적 플랫폼과 신호를 조사한다.
• 시간 결정 연구의 남은 과제와 향후 방향을 논의한다.

제안 방법

• Floquet 동역학과 Floquet 해밀토니안의 나타난 내부 대칭성 측면에서 시간 결정질 질서를 구성한다.
• 가능하면 회전 좌표(Frame) 변환(KAM/Magnus)을 사용하여 가능한 경우 효과적 Floquet 해밀토니안을 구성한다.
• 진정한 Floquet 시간 결정질, prethermal 시간 결정질 및 활성화/개방-시스템 변형을 구분한다.
• 에르고데시티 파괴의 메커니즘(다체 로컬라이제이션 및 prethermalization 포함)을 시간 결정질 질서의 안정화 인자로 논의한다.
• 트랩드 이온, 고체 상태 스핀, 초전도 큐비트에서의 이론적 구성들을 실험적 신호와 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적으로 구동되는 다체 시스템에서 서하모닉(시간 결정질) 반응을 안정화시키는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 닫힌(양자/고전) 시스템과 열린(소멸적/노이즈) 다이나믹이 시간 결정의 존재 및 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시간-변환 대칭 파괴를 이해하는 데 있어 나타나는 Floquet 대칭의 역할은 무엇인가?
• RQ4 prethermalization, 다체 로컬라이제이션, 그리고 소멸이 오래 지속되거나 무한 시간의 시간 결정질 질서에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 시간 결정상(phases)을 가장 잘 구현하거나 조사하는 실험적 신호와 플랫폼은 무엇인가?

주요 결과

• 시간 결정은 초기 조건의 기억을 서브하모닉 반응에서 보존하는 에르고데시티 파괴에 뿌리를 둔다.
• Floquet 이론은 효과적 Floquet 해밀토니안과 나타난 내부 Z_m 대칭을 통해 통합 프레임워크를 제공한다.
• 시간 결정질 질서의 안정성은 Magnus 전개가 수렴하는지에 달려 있으며, 진정한 Floquet 시간 결정질과 prethermal 을 구분한다.
• 다체 로컬라이제이션과 prethermalization은 닫힌 시스템에서 지수적으로 오래 지속되거나 무한 시간의 시간 결정질 거동을 초래할 수 있다.
• 개방적이고 소멸적 시스템은 활성화되거나 절대적으로 안정한 시간 결정질을 보일 수 있지만, 현실적인 소음 환경에서의 완벽한 시간 결정질은 여전히 미해결 문제이다.
• 다양한 실험 플랫폼(트랩드 이온, 고체 상태 스핀, 초전도 큐비트)이 시간 결정질 질서의 신호를 시연했고, 이 분야의 발전을 계속 이끌고 있다.