[論文レビュー] Realizing and Probing Baryonic Excitations in Rydberg Atom Arrays

Fangli Liu, Seth Whitsitt+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 45被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、$Χ_{3}$-並進対称性を破る場を設計することで、メソンおよびバリオン型励起準粒子を実現・プローブするためのラビット原子アレイを用いた量子シミュレーションプラットフォームを提案する。周期的なデチューニングを$Χ_{3}$秩序を持つラビット鎖に適用することで、著者らはドメインウォール欠陥がメソンやバリオンに類似した束縛状態に閉じ込められることを示し、非平衡ダイナミクスと量子情報の拡散の低減によってそのスペクトルを明らかにする。

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 $q>3$.

研究の動機と目的

• 制御可能な量子シミュレータでバリオンおよびメソン型準粒子励起を実現・プローブすること。
• メソンを越えて、バリオンやより高次のハドロン状態のような複雑な閉じ込められた束縛状態を研究するための実験的プラットフォームの不足を解消すること。
• 非一様なデチューニングを用いることで、ラビット系において$Χ_{q}$秩序相における閉じ込めを設計可能であることを示すこと。
• 現在のラビット制御技術を用いて、初期状態の準備と閉じ込められた励起のスペクトル測定が実験的に可能であるプロトコルを提供すること。

提案手法

• ラビット閉じ込め、ラビドライブ、および長距離$1/r^6$相互作用を有するハミルトニアンに従う一次元ラビット原子アレイを用いる。
• 空間的に周期的なデチューニング場を導入することで$Χ_{3}$並進対称性を破り、ドメインウォール欠陥の閉じ込めを誘導する。
• メソンおよびバリオン型束縛状態の形成を分析するため、系を量子キラルクロック模型に写像する。
• 非平衡量子クイルクダイナミクスを用いてスペクトルをプローブし、相関の拡散を閉じ込めの兆候とする。
• 初期状態の準備には単一原子アドレスを用い欠陥状態を生成し、その後選択された原子に対して制御されたラビドライブを適用する。
• 測定プロトコルには、系を時間発展させ、$Z_9Z_{10}Z_{11}$のような相関を検出することでダイナミクスと閉じ込め効果を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン型準粒子励起は、ラビット原子アレイ量子シミュレータで実現・プローブ可能か？
• RQ2 $Χ_{3}$対称性を破る場の導入が、ドメインウォール欠陥をメソンおよびバリオン型束縛状態に閉じ込める仕組みは何か？
• RQ3 非平衡ダイナミクスにおいて、閉じ込められた相と脱閉じ込められた相を区別する動的兆候は何か？
• RQ4 現在のラビット制御技術を用いて、閉じ込められた準粒子のスペクトルを実験的にアクセス可能か？
• RQ5 閉じ込めは、系内での量子情報の拡散にどのように影響するか？

主な発見

• 周期的なデチューニング場の導入により、ドメインウォール欠陥が明確にメソンおよびバリオン型準粒子に閉じ込められ、スペクトルに明確に識別可能な質量が現れる。
• 非平衡ダイナミクスにおいて、閉じ込められた相では脱閉じ込め相と比較して量子情報の拡散が著しく低減される。
• 脱閉じ込め相では相関拡散が光円錐構造を示すが、閉じ込められた相では束縛状態の形成により著しく抑制される。
• 単一原子アドレスとラビドライブを用いた初期状態の準備プロトコルは、ブロッキング状態確率が$10^{-3}$未満となるように実現可能である。
• 本手法は$q>3$の$Χ_{q}$秩序相へ一般化可能であり、将来的な実験で「四クォーク」や「五クォーク」のようなエキゾチックハドロン状態の研究が可能になる。
• ダイナミクスおよび測定プロトコルは、現在のラビット量子シミュレータで直接実装可能であり、既存の実験的能力によって実証済みである。