[논문 리뷰] Waveguide QED toolboxes for synthetic quantum matter with neutral atoms

Y. Dong, Y. S. Lee외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 06.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중성 원자와 1D 광결정 파동도파이브 근처에서 복잡한 양자 스핀 네트워크를 프로그래밍 가능한 방식으로 설계하기 위한 도구상자를 제시한다. 여기서 장거리 상호작용은 집단적인 원자 운동과 진동수(phonons)를 통해 매개된다. 이 접근법은 동적으로 생성된 게이지 장을 통해 2-로컬 및 장거리 SU(n)-대칭 스핀 모델의 보편적 시뮬레이션을 가능하게 하여 합성 양자물질을 위한 확장 가능한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

An exciting frontier in quantum information science is the realization of complex many-body systems whose interactions are designed quanta by quanta. Hybrid nanophotonic system with cold atoms has emerged as the paradigmatic platform for engineering long-range spin models from the bottom up with unprecedented complexities. Here, we develop a toolbox for realizing a fully programmable complex spin-network with neutral atoms in the vicinity of 1D photonic crystal waveguides. The enabling platform synthesizes strongly interacting quantum materials mediated by phonons from the underlying collective external motion of the atoms. We generalize our approach of universal 2-local Hamiltonians to long-range lattice models for interacting SU(n)-magnons mediated by local dynamical gauge fields.

연구 동기 및 목표

• 공학적으로 설계된 장거리 상호작용을 가진 복잡한 many-body 양자 시스템을 시뮬레이션할 수 있는 완전히 프로그래밍 가능한 플랫폼을 개발하기 위해.
• 초냉각 원자 시스템에서의 단거리 상호작용 한계를 극복하기 위해 광파동도파이브와 집단적 원자 운동을 활용하기 위해.
• 광파동도파이브 환경 내 중성 원자를 사용하여 보편적인 2-로컬 및 장거리 스핀 해밀토니안을 시뮬레이션하기 위해.
• 국소적 동적 게이지 장을 통해 이 플랫폼을 SU(n)-대칭 망그론 모델로 확장하기 위해.
• 조정 가능한, 양자 단위로 상호작용을 제어할 수 있는 확장 가능한 아키텍처를 제공하기 위해.

제안 방법

• 1D 광결정 파동도파이브를 사용하여 원자 간의 장거리 상호작용을 광자 교환을 통해 매개한다.
• 원자의 집단적 외부 운동을 통해 상호작용을 공학하고, 파동도파이브 모드의 진동수(phonons)와 결합한다.
• 제어 가능한 원자-파동도파이브 결합과 조절 가능한 레이저 드라이브를 사용하여 보편적인 2-로컬 해밀토니안을 구성한다.
• 국소적 동적 게이지 장을 도입하여 SU(n)-대칭 망그론 모델에서 장거리 상호작용을 매개한다.
• 원자와 파동도파이브 모드 간의 강한 결합에서 유도된 효과적 스핀 해밀토니안 기반의 이론적 프레임워크를 활용한다.
• 이를 통해 조절 가능한 상호작용 범위와 대칭성을 가진 복잡한 격자 모델을 지원하도록 접근법을 일반화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성 원자와 광파동도파이브를 사용하여 장거리 스핀 상호작용을 완전히 프로그래밍 가능한 방식으로 어떻게 공학할 수 있는가?
• RQ2 집단적 원자 운동과 진동수(phonons)는 효과적 스핀-스핀 상호작용을 매개하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이 플랫폼은 높은 조절성과 확장성으로 보편적인 2-로컬 해밀토니안을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 이 아키텍처에서 동적으로 생성된 게이지 장을 통해 어떻게 SU(n)-대칭 망그론 모델을 실현할 수 있는가?
• RQ5 이 도구상자를 장거리 상호작용과 대칭성 보호를 갖춘 복잡한 격자 기하학으로 확장하는 데 실현 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• 플랫폼은 원자-파동도파이브 결합과 집단 운동을 통해 2-로컬 스핀 해밀토니안의 보편적 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 장거리 상호작용은 집단적 원자 운동에서 유래한 진동수(phonons)를 통해 매개되며, 조절 가능한 상호작용 범위를 제공한다.
• 국소적 동적 게이지 장을 통해 효과적으로 SU(n)-대칭 망그론 모델을 실현할 수 있다.
• 시스템은 상호작용을 양자 단위로 설계할 수 있어 many-body 해밀토니안에 대해 예상할 수 없을 정도의 제어 능력을 제공한다.
• 이 접근법은 복잡한 스핀 네트워크를 가진 합성 양자물질을 위한 확장 가능한 아키텍처를 제공한다.