[논문 리뷰] Observation of many-body scarring in a Bose--Hubbard quantum simulator

Guo-Xian Su, Hui Sun외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 03.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 기울인 광학 격자로 PXP 모델을 모의하는 보즈-후바르드 양자 시뮬레이터를 사용하여 다체 양자 스카링을 입증한다. 이전에 급속하게 열적 평형에 도달할 것으로 여겨졌던 유한한 디티닝 조건에서 단일 채움 상태로 시스템을 준비함으로써, 지속적인 복귀와 얽힘 억제를 관측하였으며, 이는 스카링이 다양한 초기 조건에서 발생할 수 있고 주기적 외부 장에 의해도 안정됨을 확인한다.

ABSTRACT

The ongoing quest for understanding nonequilibrium dynamics of complex quantum systems underpins the foundation of statistical physics as well as the development of quantum technology. Quantum many-body scarring has recently opened a window into novel mechanisms for delaying the onset of thermalization by preparing the system in special initial states, such as the $\mathbb{Z}_2$ state in a Rydberg atom system. Here we realize many-body scarring in a Bose-Hubbard quantum simulator from previously unknown initial conditions such as the unit-filling state. We develop a quantum-interference protocol for measuring the entanglement entropy and demonstrate that scarring traps the many-body system in a low-entropy subspace. Our work makes the resource of scarring accessible to a broad class of ultracold-atom experiments, and it allows one to explore the relation of scarring to constrained dynamics in lattice gauge theories, Hilbert space fragmentation, and disorder-free localization.

연구 동기 및 목표

• Z2-순서가 있는 초기 상태를 넘어서 더 접근하기 쉬운 초기 조건인 유닛-채움 상태로 다체 스카링을 관측하는 것.
• 빠른 열적 평형화가 예상되는 대규모 초냉각 원자 시스템에서도 스카링이 양자 역학적 동역학을 안정화시킬 수 있음을 입증하는 것.
• 다체 시스템에서 얽힘 엔트로피를 측정하기 위한 양자 간섭 프로토콜을 개발하고 구현하는 것.
• 스카링, 하이르베르트 공간 분할, 제약 조건이 있는 동역학 사이의 관계를 탐색하는 것.
• 주기적 외부 장이 스카 상태를 강화하고 열적 평형화를 억제하는 데 미치는 역할을 조사하는 것.

제안 방법

• 스핀에 의존하는 슈퍼격자를 사용한 기울인 광학 격자를 통해 보즈-후바르드 시스템에서 PXP 모델을 실현하였다.
• 이중우물 구조에서 동일한 복사본을 위상적으로 초월하여 얽힘 엔트로피를 측정하기 위해 양자 간섭 프로토콜을 활용하였다.
• 반체계 양자 얽힘 엔트로피의 추정치로 단일 사이트 부분계 엔트로피를 사용하여 저엔트로피 부분공간의 동역학을 추론하였다.
• 이전에 연구된 Z2 상태와는 다름없이, 유한한 디티닝 조건에서 유닛-채움 초기 상태로 시스템을 준비하였다.
• 스카 상태의 안정성과 양자 복귀의 수명 연장을 위해 주기적 외부 장을 적용하였다.
• 수치 시뮬레이션을 수행하고 알려진 스카 상태와의 비교를 통해 관측 결과의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유닛-채움 초기 상태를 사용하여 보즈-후바르드 양자 시뮬레이터에서 다체 스카링을 관측할 수 있는가? 이는 이전에 급속한 열적 평형화가 예상되었던 상태이다.
• RQ2 유닛-채움 상태에서 얽힘 엔트로피가 여전히 억제되는가? 이는 저엔트로피 부분공간에 갇힌 상태를 시사한다.
• RQ3 주기적 외부 장이 이 시스템에서 스카 상태의 안정성과 가시성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 스카 상태 존재 조건 하에서 측정된 얽힘 엔트로피는 반체계 이분할 엔트로피와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 하이르베르트 공간 분할과 제약 조건이 있는 동역학은 비특수 초기 상태에서 스카링을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 유한한 디티닝 조건에서의 유닛-채움 초기 상태는 지속적인 양자 복귀를 보이며, 빠른 열적 평형화가 예상됨에도 불구하고 다체 스카링 존재를 시사한다.
• 단일 사이트 얽힘 엔트로피의 평균값은 열적 값보다 유의미하게 낮게 유지되며, 저엔트로피 부분공간에 갇힌 상태임을 확인한다.
• 주기적 외부 장은 복귀의 가시성과 수명을 향상시켜 스카 동역학 제어 가능성을 입증한다.
• 측정된 단일 사이트 엔트로피는 반체계 이분할 엔트로피와 강한 상관관계를 보이며, 국소 측정을 전역 얽힘의 대체 측정으로 사용할 수 있음을 검증한다.
• 시스템은 얽힘 성장이 억제되고 열적 평형화가 지연되며, 분할된 하이르베르트 공간 내 스카 상태 존재와 일치한다.
• 수치 분석을 통해 관측된 동역학이 비전통적인 초기 조건에서도 PXP 모델과 스카 상태 존재와 일치함을 확인하였다.