[논문 리뷰] Realizing a scalable building block of a U(1) gauge theory with cold atomic mixtures

Alexander Mil, Torsten V. Zache외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 17.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 광학 격자 내 초냉각 원자 혼합을 사용하여 U(1) 격자 게이지 이론을 위한 확장 가능한 아날로그 양자 시뮬레이터를 제안한다. 여기서 단일 우물 내 이종 입자 간 스핀 전환 충돌이 국소적 U(1) 게이지 대칭을 실현한다. 실험적으로 검증된 기본 블록은 조절 가능한 게이지 및 물질 장을 포함하며, 플랫폼의 정밀도를 입증하고 연속적인 게이지 이론의 대규모 양자 시뮬레이션로 이어진다.

ABSTRACT

In the fundamental laws of physics, gauge fields mediate the interaction between charged particles. An example is quantum electrodynamics -- the theory of electrons interacting with the electromagnetic field -- based on U(1) gauge symmetry. Solving such gauge theories is in general a hard problem for classical computational techniques. While quantum computers suggest a way forward, it is difficult to build large-scale digital quantum devices required for complex simulations. Here, we propose a fully scalable analog quantum simulator of a U(1) gauge theory in one spatial dimension. To engineer the local gauge symmetry, we employ inter-species spin-changing collisions in an atomic mixture. We demonstrate the experimental realization of the elementary building block as a key step towards a platform for large-scale quantum simulations of continuous gauge theories.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자를 사용하여 양자 전기역학과 같은 연속적인 U(1) 게이지 이론, 예를 들어 양자 전기역학을 위한 확장 가능한 아날로그 양자 시뮬레이터를 개발하는 것.
• 디지털 양자 시뮬레이션의 한계를 극복하여 모듈러 플랫폼에서 대규모 및 양자 간섭을 유지하는 동역학을 가능하게 하는 것.
• 단일 광학 격자 우물에 고립된 이종 입자 간 스핀 전환 충돌을 통해 국소적 U(1) 게이지 대칭을 설계하는 것.
• 기본 블록의 실험적 실현 가능성과 조절 가능성을 입증하여 확장된 게이지 시스템의 기초를 마련하는 것.
• 실험적 공 resonance 데이터와의 정량적 비교를 통해 효과적 모델을 검증하는 것.

제안 방법

• 시스템은 한 개의 광학 격자 우물 내에서 6Li와 23Na 원자를 혼합하여 국소적 U(1) 게이지 이론을 시뮬레이션하며, 물질 장은 6Li에, 게이지 장은 23Na에 할당된다.
• 이종 입자 간 스핀 전환 충돌은 페시바 레온스를 통해 유도되며, 이는 물질 장과 게이지 장 간의 게이지 불변 상호작용을 설계한다.
• 운동은 집합 스핀 연산자에 대한 결합된 스핀-1/2 유사 운동 방정식으로 모델링되며, 오프셋, 결합 및 붕괴 항목이 포함된다.
• 레이저 보조 터널링을 통해 개별 빌딩 블록을 연결하여 일차원 배열을 형성함으로써 시스템의 확장 가능성을 확보한다.
• 실험적 매개변수들은 측정된 공 resonance 데이터에 적합하여 추출되며, 효과적 매개변수는 이중 단계 적합 절차를 통해 결정된다.
• ab initio 계산에서의 이론적 추정치를 실험적 값과 비교하여 모델의 타당성을 검증하고 체계적 편차를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속적인 U(1) 게이지 이론을 위한 완전히 확장 가능한 아날로그 양자 시뮬레이터가 초냉각 원자 혼합을 통해 실현될 수 있는가?
• RQ2 모듈러이고 조절 가능하며 실험적으로 접근 가능한 방식으로 국소적 U(1) 게이지 대칭을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 목표로 하는 게이지 불변 동역학을 시뮬레이션할 때 기본 블록의 정밀도와 조절 가능성은 어느 정도인가?
• RQ4 자기장 및 初기 스핀 분포와 같은 실험적 매개변수들이 시스템의 공 resonance 행동에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 ab initio 이론적 추정치가 실험적으로 추출된 효과적 매개변수와 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 기본 블록의 실험적 실현은 높은 조절 가능성과 목표 U(1) 게이지 이론 모델에 대한 충실한 표현을 보여준다.
• 공 resonance 데이터에 적합하여 추출된 효과적 모델 매개변수들은 ab initio 추정치와 비슷한 주요 순서와 부호를 가지며, 비록 요인 2~8 정도의 체계적 편차가 존재하지만 정확도는 양호하다.
• 적합된 χ/(2π) 값은 8.802(8) mHz, λ/(2π)는 16.4(6) μHz, Δ₀/(2π)는 -4.8(16) Hz, Δₗ/(2π)는 2.681(1) kHz, Δ_B/(2π)는 -519.3(3) Hz이다.
• 두 스핀 간 주파수 일치에 기반한 공 resonance 조건은 자기장과 初기 스핀 분포에 따른 피크 위치 이동을 정성적으로 잘 묘사하지만, 비선형성과 유한한 입자 수로 인해 정량적 정확도는 제한된다.
• 개별 빌딩 블록을 레이저 보조 터널링으로 연결함으로써 시스템의 확장 가능성이 보장되며, 이는 확장된 게이지 시스템의 구축을 가능하게 한다.
• 이론적 예측과 실험 데이터 간의 관측된 일치는 이 플랫폼이 게이지 이론 내 복잡한 제약 조건을 가진 양자 다체 동역학을 시뮬레이션하는 데 적합함을 확인한다.