[论文解读] Realizing a scalable building block of a U(1) gauge theory with cold atomic mixtures

Alexander Mil, Torsten V. Zache+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 28

一句话总结

本文提出了一种基于超冷原子混合体系在光晶格中的可扩展模拟量子模拟器，用于实现U(1)规范场论，其中单个势阱中的不同组分自旋翻转碰撞实现了局域U(1)规范对称性。实验上验证了基本构建模块——具备可调规范场与物质场——的保真度，为连续规范场论的大规模量子模拟铺平了道路。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于连续U(1)规范场论（如量子电动力学）的可扩展模拟量子模拟器，利用超冷原子体系。
• 通过在模块化平台上实现大规模相干量子动力学，克服数字量子模拟的局限性。
• 通过隔离在单个光晶格势阱中的不同组分自旋翻转碰撞，实现局域U(1)规范对称性。
• 通过实验验证基本构建模块的可行性与可调性，为其扩展为规范系统奠定基础。
• 通过与实验共振数据的定量比较，验证有效模型的准确性。

提出的方法

• 系统采用单个光晶格位点中的⁶Li与²³Na原子混合体系，模拟局域U(1)规范场论，其中物质场位于⁶Li，规范场位于²³Na。
• 通过Feshbach共振介导的不同组分自旋翻转碰撞，实现物质场与规范场之间的规范不变相互作用。
• 动力学过程通过包含失谐、耦合与退相干项的耦合自旋-1/2类运动方程建模。
• 通过激光辅助隧穿连接各个基本单元，形成一维阵列，实现系统的可扩展扩展。
• 通过与测量共振数据的拟合提取实验参数，有效参数通过两步拟合程序确定。
• 将从头计算的理论估算值与实验提取的有效参数进行比较，以验证模型并识别系统性偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用超冷原子混合体系实现一个完全可扩展的连续U(1)规范场论模拟器？
• RQ2 如何以模块化、可调且实验可实现的方式工程化局域U(1)规范对称性？
• RQ3 基本构建模块在模拟目标规范不变动力学方面的保真度与可调性如何？
• RQ4 磁场与初始自旋布居等实验参数如何影响系统的共振行为？
• RQ5 从头计算的理论估算与实验提取的有效参数在多大程度上吻合？

主要发现

• 基本构建模块的实验实现展示了高可调性，并准确再现了目标U(1)规范场论模型的特性。
• 从共振数据拟合提取的有效模型参数在数量级和符号上与从头计算估算值一致，尽管存在2至8倍的系统性偏差。
• 拟合得到的χ/(2π)为8.802(8) mHz，λ/(2π)为16.4(6) μHz，Δ₀/(2π)为-4.8(16) Hz，Δₗ/(2π)为2.681(1) kHz，Δ_B/(2π)为-519.3(3) Hz。
• 基于两自旋频率匹配的共振条件定性捕捉了峰值位置随磁场和初始自旋布居的变化，但因非线性效应与有限粒子数，定量精度有限。
• 通过激光辅助隧穿连接各个基本单元，实现了系统的可扩展性，支持构建扩展的规范系统。
• 理论预测与实验数据之间的良好一致性证实了该平台在模拟规范场论中复杂约束量子多体动力学方面的适用性。