[논문 리뷰] Growth and preservation of entanglement in a many-body localized system

B. Chiaro, Brooks Foxen외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 14.

Quantum many-body systems인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 불순물이 있는 양자 시스템에서 상호작용에 의해 유도된 다체 국소화(MBL) 상태에서의 얽힘 동역학을 초전도 큐비트 배열을 사용하여 조사한다. 느린 얽힘 성장과 장수명의 벨 상태 유지가 관측되었으며, 효과적인 비국소적 상호작용을 관찰하고 1차원 및 2차원에서 얽힘 엔트로피를 측정함으로써 MBL 상태가 얽힘 붕괴가 억제되어 양자 메모리로서 강력한 플랫폼임을 드러낸다.

ABSTRACT

In non-interacting systems disorder leads to Anderson localization, where particle diffusion and entanglement propagation are absent. Interactions between the constituent particles modify this picture, leading to a many-body localized (MBL) phase. A key challenge is to measure interaction induced dynamics of entanglement between the localized sites in this phase. By studying interacting photons in an array of superconducting qubits, we observe ergodicity breaking and directly measure the effective non-local interactions. We probe the entanglement signatures of MBL in 1D and 2D and observe the slow growth of entanglement entropy. Finally, we characterize the potential of the MBL phase to be used as a quantum memory by demonstrating the slow decay of entanglement of a distant bell pair. Our work elucidates the fundamental mechanisms of entanglement formation, propagation, and preservation in the MBL phase of matter.

연구 동기 및 목표

• 불순물이 있는 양자 시스템에서 상호작용에 의해 유도된 다체 국소화(MBL) 상태에서의 얽힘 동역학을 조사하기 위해.
• 제어 가능한 플랫폼을 사용하여 MBL 상태에서 발생하는 효과적인 비국소적 상호작용을 직접 측정하기 위해.
• 얽힘 엔트로피 측정을 통해 1차원 및 2차원 MBL 시스템에서의 얽힘 서명을 탐구하기 위해.
• 멀리 떨어진 벨 상태의 장기적 얽힘 유지 정도를 평가하여 MBL 상태가 양자 메모리로서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 불순물이 있는 조절 가능한 상호작용 다체 시스템을 구현하기 위해 초전도 큐비트 배열을 사용하였다.
• 제어 가능한 큐비트 결합을 통해 효과적인 비국소적 상호작용을 설계하여 MBL 동역학을 시뮬레이션하였다.
• 국소화 및 다체 효과를 특성화하기 위해 시간에 따른 얽힘 엔트로피 성장을 측정하였다.
• 장기적 얽힘 붕괴를 평가하기 위해 먼 거리에 있는 벨 상태를 준비하고 모니터링하였다.
• 차원 간의 얽힘 동역학을 비교하기 위해 1차원 및 2차원 구성에서 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상호작용이 있는 다체 국소화 시스템에서 얽힘 엔트로피는 어떻게 성장하는가?
• RQ2 효과적인 비국소적 상호작용은 MBL 상태에서 얽힌 상태의 동역학에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 MBL 상태는 특히 공간적으로 분리된 큐비트에 대해 얽힘을 얼마나 오랫동안 유지하는가?
• RQ4 1차원 및 2차원 MBL 시스템 간의 얽힘 동역학에는 어떤 차이가 있는가?

주요 결과

• MBL 상태에서 얽힘 엔트로피가 느리게 성장하는 것이 관측되어 열적 평형화가 억제되고 양자 정보가 국소화됨을 시사한다.
• 효과적인 비국소적 상호작용이 직접적으로 탐측되어 MBL 영역에서의 얽힘을 매개하는 데서의 역할을 확인하였다.
• MBL 상태는 먼 거리에 있는 벨 상태에 대해 장수명의 얽힘을 유지하여 양자 메모리 응용 잠재력이 있음을 보여주었다.
• 1차원 및 2차원 구성 모두에서 얽힘 동역학이 일관되게 나타나 고차원에서의 국소화 효과의 강건성을 시사하였다.