[논문 리뷰] Entanglement of bosons in optical lattices

M. Cramer, A. Bernard외 7명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 20.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 약 10⁵개의 사이트를 가진 광학 격자에서 초냉각 보존을 사용한 대규모 양자 시뮬레이터에서 공간 얽힘의 첫 번째 철저한 실험적 정량 분석을 제시한다. 측정 기반 얽힘 경계를 적용하여, 초순수-모트 절연체 전이와 온도에 따른 얽힘의 척도를 밝혀내며, 전체 상태 톰로그래피나 검증되지 않은 가정 없이 다체계에서의 얽힘에 대한 직접적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Entanglement is a fundamental resource for quantum information processing, occurring naturally in many-body systems at low temperatures. The presence of entanglement and, in particular, its scaling with the size of system partitions underlies the complexity of quantum many-body states. The quantitative estimation of entanglement in many-body systems represents a major challenge as it requires either full state tomography, scaling exponentially in the system size, or the assumption of unverified system characteristics such as its Hamiltonian or temperature. Here we adopt recently developed approaches for the determination of rigorous lower entanglement bounds from readily accessible measurements and apply them in an experiment of ultracold interacting bosons in optical lattices of approximately $10^5$ sites. We then study the behaviour of spatial entanglement between the sites when crossing the superfluid-Mott insulator transition and when varying temperature. This constitutes the first rigorous experimental large-scale entanglement quantification in a scalable quantum simulator.

연구 동기 및 목표

• 전체 상태 톰로그래피 없이 대규모 양자 다체계에서 얽힘을 정량화하는 데 도전하는 것.
• 확장 가능한 양자 시뮬레이터 플랫폼인 광학 격자에서 초냉각 보존의 실험적 얽힘 측정.
• 공간 얽힘이 초순수-모트 절연체 상전이를 넘어 어떻게 척도가 되는지 조사하는 것.
• 온도가 다체계 양자 시스템의 얽힘 역학에서 어떤 역할을 하는지 평가하는 것.
• 대규모이고 실험적으로 접근 가능한 시스템에서 측정 기반 얽힘 경계의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 최근 개발된 측정 기반 방법을 활용하여 실험적으로 측정 가능한 관측량에서 엄밀한 얽힘 하한을 유도한다.
• 다체계 얽힘을 탐색하기 위해 10⁵개 사이트의 광학 격자에서 상호작용하는 초냉각 보존을 사용한 양자 시뮬레이터를 활용한다.
• 시스템의 해밀토니언이나 온도에 대한 가정 없이, 밀도 및 상관 함수와 같은 국소 관측량을 측정하여 얽힘을 유추한다.
• 밀도 행렬의 두 번째 모멘트와 국소 연산자의 측정된 분산에 기반한 얽힘 경계를 적용한다.
• 초순수-모트 절연체 전이 및 다양한 온도에서 실험하여 얽힘 척도를 탐구한다.
• 통계적 추론을 사용해 실험 데이터에서 얽힘 하한을 추출하여 전체 톰로그래피 없이도 엄밀함을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 초냉각 보존 시스템에서 초순수-모트 절연체 전이를 넘어서 공간 얽힘은 어떻게 척도가 되는가?
• RQ2 전체 상태 톰로그래피나 시스템의 해밀토니언에 대한 사전 지식 없이도 엄밀한 얽힘 하한을 실험적으로 결정할 수 있는가?
• RQ3 온도는 다체계 양자 시스템에서 공간 얽힘의 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 상호작용과 온도를 제어할 수 있는 약 10⁵개의 양자 사이트 시스템에서 얽힘의 거동는 어떠한가?
• RQ5 측정 기반 얽힘 경계는 대규모 실험적 양자 시뮬레이터에 신뢰성 있게 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 약 10⁵개의 양자 사이트를 가진 시스템에서 얽힘의 첫 번째 철저한 실험적 정량 분석을 달성하여, 얽힘 탐지의 확장성과 함께 증명되었다.
• 공간 얽힘은 초순수-모트 절연체 전이 근처에서 크게 증가하여 임계 영역에서 최대 얽힘을 나타낸다.
• 측정된 국소 관측량에서 엄밀한 얽힘 하한을 성공적으로 추출하여 전체 상태 톰로그래피나 시스템 매개변수의 가정 없이도 가능했다.
• 결과는 온도가 얽힘을 억제하며, 온도가 증가할수록 얽힘 감소가 뚜렷하게 나타남을 보여준다.
• 실험적 검증을 통해 측정 기반 얽힘 경계가 대규모이고 현실적인 양자 시스템에서 신뢰할 수 있음을 확인한다.