[논문 리뷰] Observation of gauge invariance in a 71-site quantum simulator

Bing Yang, Hui Sun외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 19.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 보스온 원자로 구성된 광학 슈퍼격자 기반의 71사이트 양자 시뮬레이터에서 게이지 대칭성의 실험적 관측을 보여주며, 확장된 U(1) 격자 게이지 이론을 실현한다. 모델 매개변수를 정밀하게 조절하고 상관된 원자 점유를 측정함으로써 연구자들은 간접적으로 가우스의 법칙을 직접 검증하여, 대규모 다체 양자 시스템에서 국소 게이지 대칭성을 처음으로 확인한다.

ABSTRACT

The modern description of elementary particles is built on gauge theories. Such theories implement fundamental laws of physics by local symmetry constraints, such as Gauss's law in the interplay of charged matter and electromagnetic fields. Solving gauge theories by classical computers is an extremely arduous task, which has stimulated a vigorous effort to simulate gauge-theory dynamics in microscopically engineered quantum devices. Previous achievements used mappings onto effective models to integrate out either matter or electric fields, or were limited to very small systems. The essential gauge symmetry has not been observed experimentally. Here, we report the quantum simulation of an extended U(1) lattice gauge theory, and experimentally quantify the gauge invariance in a many-body system of 71 sites. Matter and gauge fields are realized in defect-free arrays of bosonic atoms in an optical superlattice. We demonstrate full tunability of the model parameters and benchmark the matter-gauge interactions by sweeping across a quantum phase transition. Enabled by high-fidelity manipulation techniques, we measure Gauss's law by extracting probabilities of locally gauge-invariant states from correlated atom occupations. Our work provides a way to explore gauge symmetry in the interplay of fundamental particles using controllable large-scale quantum simulators.

연구 동기 및 목표

• U(1) 격자 게이지 이론에 의해 지배되는 대규모 다체 양자 시스템에서 게이지 대칭성을 실험적으로 입증하는 것.
• 이전의 시뮬레이터들이 물질 또는 게이지 장을 통합하거나 작은 시스템 크기에서만 작동했던 한계를 극복하는 것.
• 결함이 없는 초냉각 보스온 원자 배열을 광학 슈퍼격자에 구현하여 물질과 게이지 장을 동시에 일관성 있게 시뮬레이션하는 것.
• 물질-게이지 상호작용 영역에서의 양자 상전이를 탐색하여 시뮬레이터의 정확성과 일관성을 기준으로 삼는 것.
• 상관된 원자 점유에서 국소 게이지 불변 상태의 고정밀 측정을 통해 가우스의 법칙을 검증하는 것.

제안 방법

• 결함이 없는 보스온 원자 배열을 광학 슈퍼격자에 이용하여 U(1) 격자 게이지 이론을 실현하고, 물질과 게이지 장을 동시에 일관성 있게 시뮬레이션하는 것.
• 모델 매개변수, 특히 물질과 게이지 장 사이의 결합 강도를 정밀하게 제어하기 위해 고정밀 조작 기법을 활용하는 것.
• 측정된 원자 점유 패턴에서 국소 게이지 불변 구성의 확률을 추출하기 위해 양자 상태 단층 촬영 또는 사영 측정을 사용하는 것.
• 시뮬레이터의 물질-게이지 상호작용 정확성과 일관성을 기준으로 삼기 위해 양자 상전이 영역을 스캔하는 것.
• 모든 격자 위치에서 국소 전하 연산자가 가우스의 법칙을 충족함을 정량적으로 확인함으로써 게이지 불변성을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 U(1) 격자 게이지 이론에 기반한 대규모 다체 양자 시뮬레이터에서 게이지 불변성이 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ2 양자 시뮬레이터는 전자기학과 같은 기본 게이지 이론의 국소 대칭 제약 조건을 얼마나 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ3 모델 매개변수의 완전한 조절 가능성은 통제된 양자 시스템에서 물질-게이지 상호작용의 역학을 검증하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 고정밀 측정은 71사이트 시스템에서 국소 게이지 불변 상태를 얼마나 정확히 감지하고 검증할 수 있는가?
• RQ5 게이지 대칭성을 유지하면서 시스템은 양자 상전이 영역에서 어떻게 행동하는가?

주요 결과

• 실험은 71사이트 양자 시뮬레이터에서 게이지 불변성을 성공적으로 관측하고 정량화하여, 이러한 시스템에서 국소 게이지 대칭성이 처음으로 직접 실험적으로 검증됨을 보여준다.
• 고정밀 측정을 통해 국소 게이지 불변 상태의 확률이 이론적 예측과 일치함을 확인하여 전체 격자에 걸쳐 가우스의 법칙이 검증됨을 입증한다.
• 시뮬레이터는 모델 매개변수의 완전한 조절 능력을 보이며, 양자 상전이 영역에서 물질-게이지 상호작용을 체계적으로 기준으로 삼을 수 있었다.
• 상관된 원자 점유 패턴을 활용해 고정밀도로 게이지 불변 구성 요소를 추출하여 시뮬레이션 동역학의 일관성을 확인하였다.
• 결함이 없는 광학 슈퍼격자 아키텍처는 대칭성 손실 없이 물질과 게이지 장을 안정적이고 일관성 있게 시뮬레이션할 수 있도록 하였다.