[论文解读] Prethermal Dynamical Localization and the Emergence of Chaos in a Kicked Interacting Quantum Gas

Alec Cao, Roshan Sajjad+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Nonlinear Dynamics and Pattern Formation被引用 6

一句话总结

本研究通过实验展示了在周期性光脉冲驱动的可调相互作用玻色-爱因斯坦凝聚体中存在预热动力局域化，观察到在相互作用诱导的异常扩散之前存在一个长寿命的局域平台。自旋回声实验证实相互作用破坏了可逆性，揭示了向多体量子混沌的动力学转变，并强调了其在驱动相互作用系统中保护量子信息的启示。

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.

研究动机与目标

• 研究多体相互作用对驱动量子系统中动力局域态的影响。
• 探讨在可调相互作用存在下，预热化与动力局域化是否仍然持续。
• 确定相互作用在破坏量子可逆性并诱导混沌中的作用。
• 将系统映射到受激自旋模型，以与更广泛的多体局域化现象建立联系。
• 确定在何种条件下，量子信息可能在驱动的相互作用系统中得到保护。

提出的方法

• 利用脉冲光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体制备可调相互作用的受激量子转子。
• 施加周期性脉冲以驱动系统并探测其长时间动力学行为。
• 测量系统在数百个脉冲后的响应，以观察预热局域平台。
• 进行类似回声的时间反演实验，以评估量子可逆性并检测由相互作用引起的不可逆性。
• 将超冷原子系统映射到有效受激自旋模型，以建立与自旋链动力学的联系。
• 分析系统的演化过程，以识别异常扩散和动力局域化的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在受激量子系统中引入多体相互作用后，预热局域平台是否仍然存在？
• RQ2 相互作用如何影响驱动多体系统中量子动力学的可逆性？
• RQ3 在存在相互作用的情况下，局域化向混沌的动力学转变的本质是什么？
• RQ4 所观察到的动力学在多大程度上可映射到自旋链中的多体局域化模型？
• RQ5 这些动力学对驱动量子系统中长期保护量子信息有何启示？

主要发现

• 观察到一个长寿命的预热局域平台，在相互作用的受激转子系统中可维持数百个脉冲。
• 相互作用诱导了异常扩散，表明动力局域性被破坏，并发生向量子混沌行为的转变。
• 回声实验表明，相互作用破坏了量子可逆性，证实了混沌的出现。
• 系统表现出向多体量子混沌的动力学转变，表现为不可逆动力学和相干性的丧失。
• 映射到受激自旋模型揭示了超冷原子系统与自旋链多体局域化模型之间的联系。
• 研究结果界定了在相互作用、周期性驱动的量子系统中，量子信息可能实现全局保护的条件。