[논문 리뷰] Microwave-engineering of programmable XXZ Hamiltonians in arrays of Rydberg atoms

P. Scholl, H. J. Williams외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 30.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 개별적으로 트랩된 라이드버그 원자 배열에서 1차원 및 2차원 배열에서 마이크로파를 이용한 프로그래머블 XXZ 스핀 해밀토니안의 공학을 보여준다. 반대 위상의 라이드버그 상태를 공명적으로 결합시키기 위해 주기적인 마이크로파장을 적용함으로써, 저자들은 XXZ 모델에서 조정 가능한 이방성(Anisotropy)을 실현하였으며, 도메인 월 융해 및 자화 정지와 같은 공명 스핀 동역학을 가능하게 하였다. 실험 결과와 시뮬레이션 간의 정량적 일치는 펄스 오차 모델을 포함한 결과와 일치한다.

ABSTRACT

We use the resonant dipole-dipole interaction between Rydberg atoms and a periodic external microwave field to engineer XXZ spin Hamiltonians with tunable anisotropies. The atoms are placed in 1D and 2D arrays of optical tweezers, allowing us to study iconic situations in spin physics, such as the implementation of the Heisenberg model in square arrays, and the study of spin transport in 1D. We first benchmark the Hamiltonian engineering for two atoms, and then demonstrate the freezing of the magnetization on an initially magnetized 2D array. Finally, we explore the dynamics of 1D domain wall systems with both periodic and open boundary conditions. We systematically compare our data with numerical simulations and assess the residual limitations of the technique as well as routes for improvements. The geometrical versatility of the platform, combined with the flexibility of the simulated Hamiltonians, opens exciting prospects in the field of quantum simulation, quantum information processing and quantum sensing.

연구 동기 및 목표

• 자연적으로 실현 가능한 스핀 모델을 초월한 양자 시뮬레이션 능력을 확장하기 위해 XXZ 해밀토니안의 이방성 조절 기능을 제공하는 것.
• 기존 기체 기반 시스템의 한계를 극복하기 위해, 공명적이고 고정밀도로 동작하는 개별적으로 주소 지정 가능한 라이드버그 원자 배열을 사용하여, 조화로운 동역학을 실현하는 것.
• 통제된 비완전성 조건 하에서 소수체 및 다체 영역 모두에서 마이크로파 공학 기술을 벤치마킹하고 검증하는 것.
• 개방형 및 주기적 경계 조건 하에서 1차원 및 2차원 기하구조에서 공명 스핀 이동 및 자화 동역학을 탐색하는 것.
• 현실적인 펄스 오차와 유한한 펄스 지속시간 영향을 포함한 수치적 시뮬레이션과 실험 데이터를 체계적으로 비교하는 것.

제안 방법

• 반대 위상 상태인 |nS⟩ 및 |nP⟩ 상태 간의 공명 전기 dipole-dipole 상호작용을 이용하여 효과적인 스핀-1/2 상호작용을 실현하는 것.
• |nS⟩ 및 |nP⟩ 상태 간 전이 주파수에서 주기적인 마이크로파장을 적용하여 라비 진동을 유도하고 효과적인 스핀 상호작용을 유도하는 것.
• 평균 해밀토니안 이론을 적용하여, 구동된 시스템에서 조정 가능한 이방성을 가진 효과적인 XXZ 해밀토니안을 유도하는 것.
• 빠른 스위칭과 필드 비균일성으로 인한 펄스 오차를 최소화하기 위해 가우시안 형태의 마이크로파 펄스를 사용하는 것.
• 현상학적 펄스 오차 모델을 시뮬레이션에 통합하여, 각 펄스 회전이 무작위 각도 편차 Δθ = 0.06 ± 0.01 라디안 정도로 변형된 것으로 간주하는 것.
• 유한한 라비 주파수를 고려한 수치적 시뮬레이션을 통해 펄스 지속시간의 목표 XXX 해밀토니안에 대한 허용도에 미치는 영향을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광 트랩 내 라이드버그 원자에 마이크로파를 구동하여 XXZ 스핀 해밀토니안의 이방성을 조절할 수 있는가?
• RQ2 펄스 불완전성과 유한한 펄스 지속시간은 다체 시스템에서 공학된 XXZ 해밀토니안의 허용도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 마이크로파 공학 기반 해밀토니안은 1차원 체인에서 도메인 월 융해와 같은 공명 스핀 동역학을 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ4 2차원 라이드버그 원자 배열에서 마이크로파 구동 조건 하에서 자화 동역학의 거동는 어떠한가? 초기 자화가 정지하는가?
• RQ5 펄스 오차와 유한한 펄스 지속시간을 포함한 시뮬레이션 결과가 1차원 및 2차원 기하구조에서 실험 관측치와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 마이크로파 구동을 통한 XXZ 해밀토니안은 라이드버그 원자 배열에서 1차원 및 2차원 모두에서 조절 가능한 이방성을 가진 채로 성공적으로 공학되었다.
• 두 원자 시스템의 실험 결과는 펄스 오차(Δθ = 0.06 ± 0.01 rad)를 포함한 시뮬레이션과 양호한 일치를 보였으며, 이는 펄스 불완전성의 역할을 확인시켰다.
• 2차원 배열에서는 시간이 지남에 따라 초기 자화가 정지하는 것이 관측되었으며, 이는 마이크로파 구동 조건 하에서 XXZ 모델에 대한 이론적 예측과 일치하였다.
• 1차원 도메인 월 시스템에서는 주기적 및 개방형 경계 조건이 모두 실현되었으며, 실험과 펄스 오차를 포함한 시뮬레이션 간의 동역학에서 양호한 일치를 보였다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면, 라비 주파수를 4배로 증가시켜 펄스 지속시간을 단축시키면 목표 XXX 해밀토니안과 거의 완벽한 일치를 이룰 수 있었으며, 이는 유한한 펄스 지속시간이 주요 제한 요소임을 시사한다.
• 실험과 이상적 시뮬레이션 간의 차이가 주로 마이크로파 펄스 오차 때문이며, 유한한 펄스 지속시간 때문이 아니라는 점은 비교적 시뮬레이션을 통해 확인되었다.