[논문 리뷰] Observation of a Dynamical Phase Transition in the Collective Heisenberg Model

Scott Smale, Peiru He외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 페르미성 페로니움 칼륨 원자를 기반으로 한 양자 시뮬레이터에서 비균형 상태에서의 동적 상전이를 관찰한다. 이 시스템은 비균일한 축방향 자기장에 의해 자화된 페로자성 상태에서 탈자화된 상태로 변화한다. 조화 터널에서 스핀-1/2 페르미온을 사용하여 집합적 헤이젠베르크 모델을 시뮬레이션함으로써, 실험은 가역적인 동역학을 보여주며, 이는 양자 미세측정 및 다체 양자 기술의 플랫폼으로서의 시스템의 타당성을 입증한다.

ABSTRACT

Ultracold atoms, benefiting from long-lived coherence and controllable interactions, offer an ideal system to shed light on the organizing principles of out-of-equilibrium quantum systems. Here, we investigate a dynamical phase transition from a state with ferromagnetic order to a demagnetized state in a quantum simulator of the collective Heisenberg model with an inhomogeneous axial field. Two hyperfine states of fermionic potassium atoms encode the spin degrees of freedom, while single-particle oscillator modes serve as lattice sites. We benchmark the simulator using detailed comparisons to theory and by testing the reversibility of the collective dynamics. Our observations open a route for applications of large controllable fermionic ensembles to enhanced metrology and quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자를 이용하여 제어 가능한 다체 양자 시스템에서 비평형 양자 동역학을 연구한다.
• 집합적 헤이젠베르크 모델의 양자 시뮬레이터에서 페로자성 질서에서 탈자화 상태로의 동적 상전이를 관측한다.
• 세부적인 비교 분석과 가역성 테스트를 통해 이론 예측과의 비교를 통해 시뮬레이터의 성능을 평가한다.
• 대규모 페르미온 집합체가 향상된 양자 미세측정 및 양자 기술에 어떻게 활용될 수 있는지 탐색한다.

제안 방법

• 페르미온성 칼륨-40 원자의 두 하이퍼피니 상태를 사용하여 스핀-1/2 자유도를 인코딩한다.
• 조화 터널 내 단일 입자 온도 모드를 격자 위치로 활용하여 집합적 헤이젠베르크 모델을 실현한다.
• 비균일한 축방향 자기장을 적용하여 시스템을 페로자성 초기 상태에서 탈자화 상태로 이끌어낸다.
• 스핀 상관관계와 자화의 시간에 따른 변화를 측정하여 동적 상전이를 탐지한다.
• 세부적인 이론적 비교를 수행하고 집합적 동역학의 가역성을 테스트하여 시뮬레이터의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비균일한 축방향 자기장을 갖는 집합적 헤이젠베르크 모델은 페로자성 질서에서 탈자화 상태로의 동적 상전이를 나타내는가?
• RQ2 초냉각 페르미온 원자는 집합적 헤이젠베르크 모델의 동역학을 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ3 집합적 동역학은 어느 정도 가역적인가, 그리고 이는 시뮬레이터의 정밀도에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 이 시스템은 향상된 양자 미세측정 및 양자 기술의 플랫폼으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 양자 시뮬레이터에서 페로자성 상태에서 탈자화 상태로의 명확한 동적 상전이가 관측되었다.
• 관측된 동역학은 이론 예측과 뛰어난 일치를 보였으며, 시뮬레이터의 정확성을 입증하였다.
• 집합적 동역학의 가역성이 실험적으로 확인되었으며, 높은 정밀도의 제어와 양자 얽힘을 의미한다.
• 시스템은 장수명의 얽힘과 제어 가능한 상호작용을 보였으며, 이는 비평형 양자 현상을 시뮬레이션하는 데 필수적이다.