[논문 리뷰] Direct measurement of non-local interactions in the many-body localized phase

B. Chiaro, C. Neill외 59명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 초전도 큐비트 플랫폼에서 단위상 민감한 프로토콜을 사용하여 다체 국소화(MBL) 상태에서의 비국소적 상호작용을 실험적으로 측정한다. 단일 및 이중 큐비트 밀도 행렬을 톰그래피적으로 재구성함으로써 저자들은 국소적 운동량 적분(LIOMs)을 매핑하고, 로그 스케일의 얽힘 증가와 지속적인 양자 상관관계를 직접 관측한다. 이는 비국소적 디코herence 상호작용에도 불구하고 MBL 시스템이 장시간에 걸쳐 초기 얽힘 상태를 기억한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The interplay of interactions and strong disorder can lead to an exotic quantum many-body localized (MBL) phase. Beyond the absence of transport, the MBL phase has distinctive signatures, such as slow dephasing and logarithmic entanglement growth; they commonly result in slow and subtle modification of the dynamics, making their measurement challenging. Here, we experimentally characterize these properties of the MBL phase in a system of coupled superconducting qubits. By implementing phase sensitive techniques, we map out the structure of local integrals of motion in the MBL phase. Tomographic reconstruction of single and two qubit density matrices allowed us to determine the spatial and temporal entanglement growth between the localized sites. In addition, we study the preservation of entanglement in the MBL phase. The interferometric protocols implemented here measure affirmative correlations and allow us to exclude artifacts due to the imperfect isolation of the system. By measuring elusive MBL quantities, our work highlights the advantages of phase sensitive measurements in studying novel phases of matter.

연구 동기 및 목표

• 다체 국소화(MBL) 상태에서 국소적 운동량 적분(LIOMs)의 구조를 실험적으로 탐구하기.
• 불순물이 있는 양자 시스템에서 느린 디코herence와 로그 스케일의 얽힘 증가를 일으키는 비국소적 상호작용을 측정하기.
• 얽힘 농축 프로토콜을 사용하여 MBL 상태에서의 양자 상관관계 유지 여부를 입증하기.
• 얽힘의 형성(EOF)과 농축 가능한 얽힘(DE)과 같은 긍정적 상관관계 측정을 통해 MBL 동역학이 개방계 효과에 대해 얼마나 견고한지 검증하기.

제안 방법

• 조정 가능한 입소 불순성과 허버드 상호작용을 갖는 불순물이 있는 1차원 및 2차원 결합 초전도 큐비트 배열을 사용하여 불순물이 있는 보즈-하브리지 해밀토니안을 실현하였다.
• 비국소적 상관관계를 측정하고 불완전한 고립으로 인한 잡음의 영향을 배제하기 위해 단위상 민감한 간섭 측정 프로토콜을 구현하였다.
• 단일 및 이중 큐비트 부분계에서 양자 상태 톰그래피를 수행하여 밀도 행렬을 재구성하고 얽힘 동역학을 추출하였다.
• 시간에 따라 공간적으로 분리된 큐비트 간의 상관관계를 정량화하기 위해 얽힘의 형성(EOF)과 농축 가능한 얽힘(DE)을 측정하였다.
• 농축 가능한 얽힘의 하한을 제공하는 로그 스케일의 부정확성과 일관성 정보를 사용하여 양자 상관관계의 지속성 여부를 평가하였다.
• 다양한 불순성 강도에서 국소화 길이 ξ의 분포를 분석함으로써 국소화 궤도의 공간적 구조를 LIOMs로 매핑하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다체 국소화 상태에서 비국소적 상호작용은 얽힘의 동역학에 어떻게 나타나는가?
• RQ2 불순성 하에서 MBL 상태의 국소적 운동량 적분(LIOMs)은 공간적으로 변화하는 국소화 길이를 얼마나 갖는가?
• RQ3 단위상 민감한 측정을 통해 비국소적 상호작용의 구조를 직접 탐지할 수 있는가? 이는 느린 디코herence와 로그 스케일의 얽힘 증가를 이끄는 원인이다.
• RQ4 얽힘의 단일성 원칙은 고차원 MBL 시스템에서 양자 상관관계의 지속성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 MBL 상태는 장시간에 걸쳐 초기 양자 상관관계(예: 벨 상태의 얽힘)를 기억하는가?

주요 결과

• 비국소적 상호작용은 단위상 민감한 간섭 측정 프로토콜을 통해 직접 측정되었으며, 이는 느린 디코herence와 로그 스케일의 얽힘 증가를 유도하는 데 기여한다는 것을 확인하였다.
• 2D 시스템에서 얽힘의 형성(EOF)은 얽힘의 단일성 원칙으로 인해 시간이 지남에 따라 감소하였다. 이는 부분계 큐비트가 환경 큐비트와 상관관계를 공유함으로써 상호 얽힘을 감소시켰기 때문이다.
• 원거리에 있는 광자와 벨 상태가 떨어져 있을 경우, 농축 가능한 얽힘(DE)은 몇 개의 히opping 시간 동안 유한하게 유지되어 초기 양자 상관관계의 장수 기억을 나타내었다.
• 농축 가능한 얽힘의 하한을 제공하는 일관성 정보는 원거리 광자가 더 가까이 옮겨질수록 더 일찍 0에 수렴하여, 증가된 비국소적 결합으로 인한 빠른 디코herence를 나타내었다.
• MBL 상태에서는 초기 양자 상관관계를 유지하였으며, 특히 높은 불순성과 큰 공간적 분리에서 DE가 장시간 지속되었다.
• 밀도 행렬의 톰그래피 재구성 결과, LIOMs의 공간적 구조는 국소화 길이 ξ의 분포에 의해 결정되며, 이는 불순성 강도 w가 증가함에 따라 감소함을 확인하였다.