[논문 리뷰] Prethermal Dynamical Localization and the Emergence of Chaos in a Kicked Interacting Quantum Gas

Alec Cao, Roshan Sajjad외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 17.

Nonlinear Dynamics and Pattern Formation인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 주기적인 광학 킥을 받는 조절 가능한 상호작용을 갖는 보즈아인슈타인 응축체에서 전열역학적 동적 국소화를 실험적으로 입증한다. 상호작용에 의한 비정상적 확산 이전에 장수명의 국소화 플레이트오우를 관측한다. 에코 실험은 상호작용이 가역성을 파괴함을 확인하여 다체 양자 혼돈으로의 동적 전이를 드러내며, 구동되는 상호작용 시스템에서 양자 정보 보호에 대한 함의를 제시한다.

ABSTRACT

While ergodicity is a fundamental postulate of statistical mechanics and implies that driven interacting systems inevitably heat, ergodic dynamics can be disrupted by quantum interference. Despite a quarter-century of experimental studies, the effect of many-body interactions on the resulting dynamically localized state has remained unexplored. We report the experimental realization of a tunably-interacting kicked quantum rotor ensemble using a Bose-Einstein condensate in a pulsed optical lattice. We observe a prethermal localized plateau, which survives for hundreds of kicks, followed by interaction-induced anomalous diffusion. Echo-type time reversal experiments establish the role of interactions in destroying reversibility, and a mapping to kicked spin models illustrates connections to many-body dynamical localization in spin chains. These results demonstrate a dynamical transition to many-body quantum chaos, and illuminate and delimit possibilities for globally protecting quantum information in interacting driven quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 구동된 양자 시스템에서 다체 상호작용이 동적으로 국소화된 상태에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 조절 가능한 상호작용이 존재하는 상황에서 전열역학화와 동적 국소화가 유지되는지 탐색하는 것.
• 상호작용이 양자 가역성을 어떻게 파괴하고 혼돈을 유도하는지 역할을 규명하는 것.
• 시스템을 구동된 스핀 모델로 매핑하여 다체 국소화 현상과의 연관성을 연결하는 것.
• 구동되고 상호작용하는 시스템에서 양자 정보가 장기간 보호될 수 있는 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 펄스형 광학 격자에 놓인 보즈아인슈타인 응축체를 사용해 조절 가능한 상호작용을 갖는 구동된 양자 로터를 실현하는 것.
• 시스템을 구동하고 장시간 역학을 탐색하기 위해 주기적인 킥을 가하는 것.
• 수백 번의 킥 동안 시스템의 반응을 측정하여 전열역학적 국소화 플레이트오우를 관측하는 것.
• 시간 역전 에코 실험을 수행해 양자 가역성을 평가하고 상호작용에 의한 비가역성을 탐지하는 것.
• 초냉각 원자 시스템을 효과적인 구동된 스핀 모델로 매핑하여 스핀 체인 역학과의 연결 고리를 형성하는 것.
• 시스템의 진화를 분석하여 비정상적 확산과 동적 국소화의 징후를 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동된 양자 시스템에 다체 상호작용이 도입되었을 때 전열역학적 국소화 플레이트오우가 유지되는가?
• RQ2 상호작용은 구동된 다체 양자 시스템에서 양자 역학의 가역성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 상호작용 존재 하에서 국소화에서 혼돈으로의 동적 전이의 성격은 무엇인가?
• RQ4 관측된 역학이 스핀 체인의 다체 국소화 모델로 어느 정도 매핑될 수 있는가?
• RQ5 이러한 역학은 구동된 양자 시스템에서의 양자 정보 장기 보호에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 조절 가능한 상호작용이 있는 구동된 로터 시스템에서 장수명의 전열역학적 국소화 플레이트오우가 관측되었으며, 이는 수백 번의 킥 동안 지속되었다.
• 상호작용은 비정상적 확산을 유도하여 동적 국소화의 붕괴와 양자 혼돈 행동으로의 전이를 시사한다.
• 에코 실험은 상호작용이 양자 가역성을 파괴함을 입증하여 혼돈의 발생을 확인한다.
• 시스템은 비가역적 역학과 위상 일관성의 손실을 통해 다체 양자 혼돈으로의 동적 전이를 보였다.
• 구동된 스핀 모델로의 매핑은 초냉각 원자 시스템과 다체 국소화의 스핀 체인 모델 간의 연관성을 드러냈다.
• 결과는 상호작용하고 주기적으로 구동되는 양자 시스템에서 양자 정보가 전역적으로 보호될 수 있는 조건을 규명한다.