[論文レビュー] Observation of gauge invariance in a 71-site quantum simulator

Bing Yang, Hui Sun+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、光格子中の超低温ボーズ原子を用いた71サイトの量子シミュレータにおいて、拡張U(1)格子ゲージ理論を実現し、ゲージ不変性の実験的観測を達成した。モデルパラメータを精密に調整し、相関した原子占有状態を測定することで、研究者たちはガウスの法則を直接検証し、大規模な多体量子系における局所的ゲージ対称性を初めて実験的に確認した。

ABSTRACT

The modern description of elementary particles is built on gauge theories. Such theories implement fundamental laws of physics by local symmetry constraints, such as Gauss's law in the interplay of charged matter and electromagnetic fields. Solving gauge theories by classical computers is an extremely arduous task, which has stimulated a vigorous effort to simulate gauge-theory dynamics in microscopically engineered quantum devices. Previous achievements used mappings onto effective models to integrate out either matter or electric fields, or were limited to very small systems. The essential gauge symmetry has not been observed experimentally. Here, we report the quantum simulation of an extended U(1) lattice gauge theory, and experimentally quantify the gauge invariance in a many-body system of 71 sites. Matter and gauge fields are realized in defect-free arrays of bosonic atoms in an optical superlattice. We demonstrate full tunability of the model parameters and benchmark the matter-gauge interactions by sweeping across a quantum phase transition. Enabled by high-fidelity manipulation techniques, we measure Gauss's law by extracting probabilities of locally gauge-invariant states from correlated atom occupations. Our work provides a way to explore gauge symmetry in the interplay of fundamental particles using controllable large-scale quantum simulators.

研究の動機と目的

• U(1)格子ゲージ理論に従う大規模な多体量子系におけるゲージ不変性の実験的証明を目的とする。
• 物質場やゲージ場を統合し、または小規模な系でのみ動作する従来のシミュレータの限界を克服することを目的とする。
• 欠陥のない超低温ボーズ原子アレイを光格子で実現し、物質場とゲージ場を同時にコherentにシミュレートすることを目的とする。
• 物質-ゲージ相互作用領域における量子相転移をプローブすることで、シミュレータのベンチマークを実施することを目的とする。
• 相関した原子占有状態における高精度な測定を通じて、局所的ゲージ不変状態を検証することを目的とする。

提案手法

• 欠陥のないボーズ原子アレイを光格子で用いてU(1)格子ゲージ理論を実現し、物質場とゲージ場を同時にコherentにシミュレートする。
• 高精度な操作技術を用いて、物質場とゲージ場の間の結合定数を精密に制御する。
• 量子状態トモグラフィーまたは投影測定を用い、測定された原子占有パターンから局所的ゲージ不変状態の確率を抽出する。
• 量子相転移領域を走査することで、物質-ゲージ相互作用の正確性と一貫性をベンチマークする。
• 全格子サイトにおいて局所的電荷演算子がガウスの法則を満たすことを定量的に確認することで、ゲージ不変性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 U(1)格子ゲージ理論に従う大規模な多体量子シミュレータにおいて、ゲージ不変性を実験的に観測できるか？
• RQ2 量子シミュレータは、電磁気学のような基本的ゲージ理論の局所的対称性制約をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 モデルパラメータの完全な調整可能성이、制御された量子系における物質-ゲージ相互作用ダイナミクスの検証に果たす役割は何か？
• RQ4 高精度な測定は、71サイトの系において局所的ゲージ不変状態をどの程度正確に検出・検証できるか？
• RQ5 ゲージ対称性を保ちつつ、量子相転移領域を通過する際、系はどのように振る舞うか？

主な発見

• 本実験では、71サイトの量子シミュレータにおいてゲージ不変性を成功裏に観測・定量し、このような系における局所的ゲージ対称性の初の直接的実験的検証を達成した。
• 高精度な測定により、局所的ゲージ不変状態の確率が理論的予測と一致することが確認され、全格子上でガウスの法則が正当化された。
• シミュレータはモデルパラメータの完全な調整性を示し、量子相転移領域にわたる物質-ゲージ相互作用の系統的ベンチマークが可能となった。
• 相関した原子占有状態パターンを用いて、高精度にゲージ不変状態の構成を抽出し、シミュレートされたダイナミクスの一貫性が確認された。
• 欠陥のない光格子アーキテクチャにより、対称性の損失を伴わず、物質場とゲージ場の安定的かつコherentなシミュレーションが実現された。