[논문 리뷰] Evidence for a two-dimensional quantum glass state at high temperatures

A. V. Lunkin, Nicole Ticea외 293명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 04.

Quantum many-body systems인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 2D 무질서된 스핀-1/2 배열의 초전도 큐비트에서 유한 온도 비에르고드 확장(NEE) 상을 보고하며, 글래스 같은 거동, finite Edwards-Anderson order parameter, 그리고 확산의 붕괴를 보인다.

ABSTRACT

Disorder in quantum many-body systems can drive transitions between ergodic and non-ergodic phases, yet the nature--and even the existence--of these transitions remains intensely debated. Using a two-dimensional array of superconducting qubits, we study an interacting spin model at finite temperature in a disordered landscape, tracking dynamics both in real space and in Hilbert space. Over a broad disorder range, we observe an intermediate non-ergodic regime with glass-like characteristics: physical observables become broadly distributed and some, but not all, degrees of freedom are effectively frozen. The Hilbert-space return probability shows slow power-law decay, consistent with finite-temperature quantum glassiness. In the same regime, we detect the onset of a finite Edwards-Anderson order parameter and the disappearance of spin diffusion. By contrast, at lower disorder, spin transport persists with a nonzero diffusion coefficient. Our results show that there is a transition out of the ergodic phase in two-dimensional systems.

연구 동기 및 목표

• 무작위적으로 구성된 양자 다체 시스템에서 영온도 한계를 넘어 제로 로컬라이제이션된 상을 넘어서는 에르고딕성 붕괴를 이해하려는 동기 부여.
• 무작위성이 있는 2차원 상호 작용 스핀 시스템이 유한 온도에서 비에르고드, 글래스 같은 거동을 보이는지 조사한다.
• 전송 특성과 파동함수 구조를 연결하기 위해 실공간 및 힐베르트 공간의 거동을 특성화한다.
• 에드워즈-앳슨 순서 매개변수 및 반환 확률 분포와 같은 표지자들을 식별하여 에르고딕, 비에르고드 확장, 다체 국소화 regimes를 구분한다.

제안 방법

• XY 상호작용과 무작위 필드를 갖는 두 차원의 최근접 이웃 스핀-1/2 모델을 정방격자에서 연구한다.
• 실공간 자화 동역학 및 힐베르트 공간의 반환 확률 R(t)을 측정하기 위해 초전도 큐비트 배열을 사용한다.
• spin 상관의 장시간 한계로부터 Edwards-Anderson order parameter Q_EA와 같은 관측 가능량을 추출한다.
• C(t) 및 R(t)의 시간 의존성을 분석하여 멱법 또는 지수적 이완 및 이것의 무질서 w 의 의존성을 확인한다.
• 실험 결과를 다양한 무질성 강도와 시스템 크기에 대해 검증하기 위해 수치 시뮬레이션과 비교한다.

Figure 1: Phase Diagram. At low temperatures and weak disorder, the system exhibits long-range order, while strong disorder localizes the bosons. At high temperatures, weak disorder yields an ergodic diffusive phase; increasing disorder drives a transition to a glassy non-ergodic state with finite E

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 무질서 상호작용 스핀 시스템이 고차원에서 다체 국소화(MBL) 이상으로 비에르고드 상태로의 유한 온도 전이가 나타나는가?
• RQ2 2D에서 에르고딕, 비에르고드 확장, 로컬화된 거동을 구분하는 힐베르트 공간 표지는 무엇인가(예: 반환 확률 분포)?
• RQ3 실공간 이완, 확산, 및 Edwards-Anderson order parameter는 무질성 증가에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ4 2D 양자 시스템에서 고온에서의 글래스 같은 거동(멱법 이완, 관측 분포의 폭 등)의 증거가 있는가?

주요 결과

• 광범위한 무질성 범위에 걸친 중간 비에르고드 상의 글래스 같은 특성의 거동이 관찰된다.
• 힐베르트 공간의 반환 확률이 느린 멱법으로 감소하며 유한 온도 양자 유글래스iness와 일관된다.
• 비에르고드 상에서 finite Edwards-Anderson order parameter의 발현 및 스핀 확산의 소멸이 나타난다.
• 저 무질성 구간에서는 확산이 비제로 확산 계수를 유지하지만 전이 근처에서 확산이 붕괴된다.
• 시스템 크기에 따라 증가하는 지수 η를 갖는 R(t)의 멱법 이완(η ~ κ(w) n^2.4)이 관찰된다.
• w ≳ w_c ≈ 10에서 확산의 소멸과 잔류 자화 M_infty가 나타난다.

Figure 2: Evidence of glass formation in the frozen magnetization. a, Temporal evolution of magnetization for disorders of $w=9$ and $w=15$ (corresponding disorder patterns showed on top), revealing slower relaxation at the higher disorder. b, Time dependence of the spin glass correlation function $