[논문 리뷰] Realizing and Probing Baryonic Excitations in Rydberg Atom Arrays

Fangli Liu, Seth Whitsitt외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 14.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 45인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 라이드버그 원자 어레이를 사용하여 $Χ_{3}$-전이 대칭성 깨짐 필드를 통해 메손 및 바리온 쿼아입자 준위를 실현하고 탐지하는 양자 시뮬레이션 플랫폼을 제안한다. $Χ_{3}$-정렬된 라이드버그 체인에 주기적인 떨어짐을 적용함으로써, 저자들은 도메인 월 결함이 메손과 바리온을 닮은 결합 상태로 봉인됨을 입증한다. 이들의 스펙트럼은 비평형 동역학과 감소된 양자 정보 확산을 통해 드러난다.

ABSTRACT

We propose a realization of mesonic and baryonic quasiparticle excitations in Rydberg atom arrays with programmable interactions. Recent experiments have shown that such systems possess a $\mathbb{Z}_3$-ordered crystalline phase whose low-energy quasiparticles are defects in the crystalline order. By engineering a $\mathbb{Z}_3$-translational-symmetry breaking field on top of the Rydberg-blockaded Hamiltonian, we show that different types of defects experience confinement, and as a consequence form mesonic or baryonic quasiparticle excitations. We illustrate the formation of these quasiparticles by studying a quantum chiral clock model related to the Rydberg Hamiltonian. We then propose an experimental protocol involving out-of-equilibrium dynamics to directly probe the spectrum of the confined excitations. We show that the confined quasiparticle spectrum can limit quantum information spreading in this system. This proposal is readily applicable to current Rydberg experiments, and the method can be easily generalized to more complex confined excitations (e.g. `tetraquarks', `pentaquarks') in phases with $\mathbb{Z}_q$ order for $q>3$.

연구 동기 및 목표

• 제어 가능한 양자 시뮬레이터에서 바리온 및 메손 쿼아입자 준위를 실현하고 탐지하는 것.
• 메손을 초월한 복잡한 봉인된 결합 상태, 예를 들어 바리온 및 고차원 하드론 상태를 연구하기 위한 실험 플랫폼의 부족을 해결하는 것.
• $Χ_{q}$-정렬된 상에서 비균일한 떨어짐을 통해 라이드버그 시스템에서 봉인을 공학적으로 설계할 수 있음을 보여주는 것.
• 현재의 라이드버그 제어 기술을 활용해 초기 상태를 준비하고 봉인된 준위의 스펙트럼을 측정할 수 있는 실험적으로 실현 가능한 프로토콜을 제공하는 것.

제안 방법

• 저자들은 라이드버그 차폐, 라비 드라이브, 그리고 장거리 $1/r^6$ 상호작용을 포함하는 해밀토니안에 의해 지배되는 일차원 라이드버그 원자 어레이를 사용한다.
• 공간적으로 주기적인 떨어짐 필드를 도입하여 $Χ_{3}$ 전이 대칭성을 깨며, 도메인 월 결함의 봉인을 유도한다.
• 메손 및 바리온 결합 상태의 형성을 분석하기 위해 시스템을 양자 캐럴 클록 모델로 매핑한다.
• 비평형 양자 쿼치 동역학을 사용하여 스펙트럼을 탐지하며, 상관관계 확산이 봉인을 나타내는 서식으로 사용된다.
• 초기 상태 준비에는 결함 상태를 만들기 위해 단일 원자 조작을 사용하고, 선택된 원자에 대해 제어된 라비 펄스를 적용한다.
• 측정 프로토콜은 시스템을 시간에 따라 진화시키고, $Z_9Z_{10}Z_{11}$와 같은 상관관계를 검출하여 동역학과 봉인 효과를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이드버그 원자 어레이 양자 시뮬레이터에서 바리온 쿼아입자 준위를 실현하고 탐지할 수 있는가?
• RQ2 $Χ_{3}$-대칭성 깨짐 필드의 도입이 도메인 월 결함을 메손 및 바리온 결합 상태로 봉인하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 비평형 진화에서 봉인된 상과 탈봉인된 상을 구분하는 데 나타나는 동적 서식은 무엇인가?
• RQ4 현재의 라이드버그 제어 기술을 사용해 봉인된 준위의 스펙트럼을 실험적으로 접근할 수 있는가?
• RQ5 봉인이 시스템 내에서 양자 정보의 확산에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 주기적인 떨어짐 필드를 도입함으로써 도메인 월 결함이 메손 및 바리온 준위로 봉인되며, 이들의 질량은 스펙트럼에서 명확하게 식별된다.
• 비평형 동역학은 봉인된 상에서 탈봉인된 경우에 비해 양자 정보의 확산이 크게 감소한 것으로 나타난다.
• 상관관계 확산은 탈봉인된 상에서는 빛의 원추형 구조를 보이지만, 봉인된 상에서는 결합 상태 형성으로 인해 크게 억제된다.
• 이 프로토콜은 단일 원자 조작과 라비 펄스를 통해 제어된 결함를 가진 초기 상태를 실험적으로 준비할 수 있으며, 봉인 상태 확률은 $10^{-3}$ 이하이다.
• 이 방법은 $q>3$ 인 $Χ_{q}$-정렬된 상으로 일반화 가능하여 향후 실험에서 '테트라쿠아크' 및 '펜타쿠아크'와 같은 이국적인 하드론 상태를 연구하는 데 기여할 수 있다.
• 동역학 및 측정 프로토콜은 기존의 실험 능력에 의해 이미 실현 가능함이 입증되었으며, 현재의 라이드버그 양자 시뮬레이터에서 직접 적용 가능하다.