[논문 리뷰] Observation of entanglement propagation in a quantum many-body system

Petar Jurcevic, B. P. Lanyon외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 21.

Quantum many-body systems참고 문헌 34인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 장거리 상호작용을 갖는 1차원 트랩드 이온 양자스핀 시스템에서 마그논 준입자들을 통한 얽힘 전파를 실험적으로 관측하며, 장거리 상호작용이 준입자 속도가 수렴하지 않고 리브-로빈슨 빛원추 경계를 위반하게 하여, 단거리 상호작용 모델을 초월한 새로운 양자역학적 동역학을 드러낸다.

ABSTRACT

The key to explaining a wide range of quantum phenomena is understanding how entanglement propagates around many-body systems. Furthermore, the controlled distribution of entanglement is of fundamental importance for quantum communication and computation. In many situations, quasiparticles are the carriers of information around a quantum system and are expected to distribute entanglement in a fashion determined by the system interactions. Here we report on the observation of magnon quasiparticle dynamics in a one-dimensional many-body quantum system of trapped ions representing an Ising spin model. Using the ability to tune the effective interaction range, and to prepare and measure the quantum state at the individual particle level, we observe new quasiparticle phenomena. For the first time, we reveal the entanglement distributed by quasiparticles around a many-body system. Second, for long-range interactions we observe the divergence of quasiparticle velocity and breakdown of the light-cone picture that is valid for short-range interactions. Our results will allow experimental studies of a wide range of phenomena, such as quantum transport, thermalisation, localisation and entanglement growth, and represent a first step towards a new quantum-optical regime with on-demand quasiparticles with tunable non-linear interactions.

연구 동기 및 목표

• 제어된 준입자 자극을 사용하여 양자다체계에서 얽힘 전파의 역학을 관측하기.
• 장거리 스핀-스핀 상호작용이 얽힘 전파의 속도와 구조에 미치는 영향을 조사하기.
• 거듭제곱법으로 감쇠하는 상호작용을 갖는 시스템에서 리브-로빈슨 경계의 타당성을 시험하기.
• 조절 가능한 트랩드 이온 양자시뮬레이터에서 비국소 양자상관관계와 준입자 행동의 발생을 탐색하기.
• 제어 가능한 다체계에서 양자운반, 열화 및 얽힘 증가를 연구하기 위한 플랫폼 구축하기.

제안 방법

• 장거리 상호작용을 갖는 조절 가능한 1D 7개의 트랩드 40Ca+ 이온 체인을 사용하여 이징 스핀 모델을 시뮬레이션함.
• 이중주기 레이저장으로 스핀-스핀 결합을 공학하여 상호작용 범위를 제어함 (J_ij ∝ 1/|i-j|^α).
• 중앙 스핀을 뒤집어 국소적 쿠잉을 수행하여 준입자 자극을 생성하고, 단일사이트 양자상태 단층촬영을 통해 얽힘 증가를 모니터링함.
• 실험적 상호작용 행렬에서 준입자 분산관계를 측정하고, α = 1.36로 거듭제곱법 형태에 적합함.
• 해밀토니안의 정확한 대각화를 통해 1--excited 상태에서의 수치 시뮬레이션과 실험적 얽힘 전파를 비교함.
• 수정 베셀 함수를 사용하여 리브-로빈슨 경계를 평가하고, 장거리 시스템에서의 빛원추 경계 위반 정도를 정량화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 상호작용을 갖는 1차원 양자다체계에서 준입자는 어떻게 얽힘을 전파하는가?
• RQ2 거리에 따라 거듭제곱법으로 감쇠하는 상호작용을 갖는 경우 리브-로빈슨 속도 경계가 여전히 유효한가?
• RQ3 상호작용 범위와 얽힘 전파의 효과적 속도 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 트랩드 이온 양자시뮬레이터에서 상호작용 범위가 증가함에 따라 준입자 분산관계는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 얽힘 전파의 실험적 관측을 통해 단거리 모델을 초월한 비국소 양자역학적 동역학의 징후를 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• 트랩드 이온 양자다체계에서 마그논 준입자를 통한 얽힘 전파가 최초로 직접 관측됨.
• 측정된 준입자 군속도는 v_g^max ≈ 0.46 J/h에 도달하여, 적합된 분산관계의 가장 급격한 기울기와 일치함.
• 상호작용 범위가 증가함에 따라 (α ≈ 1.36), 준입자 속도가 근접 이웃 리브-로빈슨 경계를 초월하여 빛원추 그림이 붕괴됨을 시사함.
• 수치 시뮬레이션과 수정 베셀 함수를 사용한 해석적 경계로 확인된 바, 실험 신호는 근접 이웃 리브-로빈슨 경계가 허용하는 것보다 더 빠르게 전파됨.
• N=7 이온에 대한 측정된 상호작용 행렬 J_ij는 α = 1.36로 거듭제곱법 의존성을 보이며, 조절 가능한 장거리 상호작용을 확인함.
• 이 연구는 장거리 상호작용이 준입자 속도의 발산과 비국소 얽힘 동역학을 초래하며, 전통적인 양자정보 속도 제한을 도전함을 보여줌.