[논문 리뷰] Measuring Fermionic Entanglement - Entropy and Negativity

Eyal Cornfeld, Eran Sela외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 13.

Quantum many-body systems인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 여러 개의 동일한 양자 상태 복사본, 공간적으로 균일한 분광기, 그리고 현장에서의 입자 수 측정을 사용하여 페르미온 양자 얽힘을 측정하기 위한 실험적 절차를 제안한다. 이를 통해 임의의 순서의 Renyi 얽힘 엔트로피와 얽힘 부정성도 추출할 수 있으며, 국소적 쿠잉 이후 얽힘의 증가를 시뮬레이션하고 비자명한 스핀 구조를 가진 다양체에서의 양자 시뮬레이션에 적용 가능함을 보여준다.

ABSTRACT

The recent direct experimental measurement of quantum entanglement paves the way towards a better understanding of many-body quantum systems and their correlations. Nevertheless, the experimental and theoretical advances had so far been predominantly limited to bosonic systems. Here, we study fermionic systems. Using experimental setups where multiple copies of the same state are prepared, arbitrary order Renyi entanglement entropies and entanglement negativities can be extracted by utilizing spatially-uniform beam splitters and on-site occupation measurement. As an example, we simulate the use of our protocols for measuring the entanglement growth following a local quench. We also illustrate how our paradigm could be used for experimental quantum simulations of fermions on manifolds with nontrivial spin structures.

연구 동기 및 목표

• 이전에 보존계 시스템에 국한되어 있던 실험적 얽힘 측정 기법을 페르미온 다체계로 확장하기 위해.
• Renyi 엔트로피와 부정성과 같은 페르미온 얽힘 측정법에 대한 직접적인 실험적 접근의 부족을 해결하기 위해.
• 표준 양자 시뮬레이션 도구를 사용하여 페르미온 시스템에서의 얽힘 측정을 가능하게 하는 확장 가능한 복사 기반 절차를 개발하기 위해.
• 국소적 쿠잉 이후 페르미온 시스템에서의 얽힘 동역학 측정의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 비자명한 스핀 구조를 가진 다양체에서 페르미온의 실험적 양자 시뮬레이션을 엽힘 관측량을 통해 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 양자 시뮬레이터에 준비된 동일한 페르미온 양자 상태의 여러 복사본을 활용한다.
• 공간적으로 균일한 분광기를 적용하여 복사본을 얽히게 하고, 간섭을 통해 얽힘 측정을 추출한다.
• 출력 모드에서의 현장 입자 수 측정을 수행하여 부분 밀도 행렬의 통계적 모멘트를 재구성한다.
• 측정된 모멘트를 사용하여 임의의 순서의 Renyi 얽힘 엔트로피와 얽힘 부정성을 계산한다.
• 분광기의 대칭성과 균일성을 활용하여 비국소적 상관관계 측정의 확장성과 내성 확보한다.
• 측정 설정에 위상적 자유도를 포함시켜, 비자명한 스핀 구조를 가진 다양체에서의 페르미온 시스템을 시뮬레이션하기 위해 절차를 적응시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 여러 복사본과 표준 양자 시뮬레이션 구성 요소를 사용하여 페르미온 얽힘을 실험적으로 측정할 수 있는가?
• RQ2 페르미온 시스템에서 현장 측정을 통해 Renyi 얽힘 엔트로피와 얽힘 부정성을 어떻게 추출할 수 있는가?
• RQ3 이 절차를 사용하여 국소적 쿠잉 이후 페르미온 시스템에서의 얽힘 증가를 측정하는 데 실현 가능할까?
• RQ4 이 프레임워크는 비자명한 스핀 구조를 가진 다양체에서의 페르미온 시뮬레이션으로 확장될 수 있는가?
• RQ5 공간적으로 균일한 분광기를 사용하면 어떻게 페르미온 상태에서의 비국소적 얽힘 측정이 가능해지는가?

주요 결과

• 이 절차는 여러 복사본과 현장 측정을 통해 페르미온 시스템에서 임의의 순서의 Renyi 얽힘 엔트로피를 실험적으로 측정할 수 있음을 보여준다.
• 동일한 프레임워크를 통해 얽힘 부정성도 추출할 수 있으며, 이는 페르미온 상태에서 비국소적이고 비고전적인 상관관계를 측정하는 데 기여한다.
• 공간적으로 균일한 분광기와 대칭적인 측정 절차를 사용함으로써 이 방법은 확장 가능하고 내성적이다.
• 이 절차는 국소적 쿠잉 이후 얽힘 증가를 성공적으로 시뮬레이션하여, 동적 양자 상관관계 연구에 유용함을 입증한다.
• 측정 기저에 위상적 특징을 포함시켜, 비자명한 스핀 구조를 가진 다양체에서의 페르미온 시스템을 시뮬레이션하기 위해 이 프레임워크를 적응 가능하게 할 수 있다.
• 이 접근법은 이전에 이론적 분석에 국한되어 있던 페르미온 다체계에서의 얽힘에 직접적인 실험적 접근로 제공한다.