[논문 리뷰] Realizing discrete time crystal in an one-dimensional superconducting qubit chain

Huikai Xu, Jing-Ning Zhang외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 02.

Quantum many-body systems참고 문헌 14인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 플로케트 공 ingeneering를 통해 1차원 초전도 트랜스몬 큐비트 체인에서 이산 시간 결정(DTC) 상의 실험적 실현을 보여준다. 8개의 커패시티브로 결합된 트랜스몬 큐비트에 주기적인 드라이브를 적용함으로써, 저자들은 장수명의 주기 두배 진동—이산 시간-역행성 대칭성의 위반 증거—를 관찰한다. 이는 큐비트의 양자 상태 유지 시간에 의해만 제한되며, 확장 가능한 초전도 플랫폼에서 DTC 상 존재를 확인한다.

ABSTRACT

Floquet engineering, i.e. driving the system with periodic Hamiltonians, not only provides great flexibility in analog quantum simulation, but also supports phase structures of great richness. It has been proposed that Floquet systems can support a discrete time-translation symmetry (TTS) broken phase, dubbed the discrete time crystal (DTC). This proposal, as well as the exotic phase, has attracted tremendous interest among the community of quantum simulation. Here we report the observation of the DTC in an one-dimensional superconducting qubit chain. We experimentally realize long-time stroboscopic quantum dynamics of a periodically driven spin system consisting of 8 transmon qubits, and obtain a lifetime of the DTC order limited by the coherence time of the underlying physical platform. We also explore the crossover between the discrete TTS broken and unbroken phases via various physical signatures. Our work extends the usage of superconducting circuit systems in quantum simulation of many-body physics, and provides an experimental tool for investigating non-equilibrium dynamics and phase structures.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트를 사용하여 주기적으로 드라이브되는 many-body 양자 시스템에서 이산 시간 결정(DTC) 상을 실현하고 관측하는 것.
• 통제 가능한 양자 플랫폼에서 이산 시간-역행성 대칭성(TTS) 위반 및 비위반 상 사이의 전이를 탐색하는 것.
• 초전도 회로를 비평형 양자 상의 유사 실험 시뮬레이션에 사용할 수 있음을 보여주는 것.
• 다양한 불순성과 드라이브 조건에서 DTC 질서의 수명과 안정성에 대해 연구하는 것.

제안 방법

• 주기적인 드라이브를 통해 시간 주기성이 있는 해밀토니안 $ H(t) = H(t+T) $ 를 이용하여 8개의 커패시티브로 연결된 트랜스몬 큐비트 어레이에 플로케트 공 ingeneering를 적용한다.
• 스트로보스코픽 역학은 시간 순서된 진동 연산자 $ \hat{U}(t) = \hat{P}(t)e^{-iH_F t} $ 에서 유도된 효과적 플로케트 해밀토니안 $ H_F $ 에 의해 지배된다.
• 조절 가능한 라비 주파수 $ t_2 $ 와 불순성 강도 $ \epsilon $ 를 통해 DTC와 열화하는 영역 사이의 상전이를 제어할 수 있다.
• 자기화 역학의 양자 상태 단층 촬영 및 푸리에 분석을 통해 주기 두배의 서명으로서 $ \pi/T $ 피크 높이를 추출한다.
• DTC 질서의 수명은 이중 지수 함수 $ f(t) = \sum_{i=1,2} C_i e^{-t/\tau_i} + C_0 $ 를 사용하여 $ \pi/T $ 피크 높이의 감쇠에 맞추어 정량화한다.
• 상 경계는 100개의 불순성 실현에서 피크 높이의 분산을 통해 식별되며, 임계 점을 찾기 위해 루르티안 유사 함수에 적합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플로케트 공 ingeneering를 통해 초전도 큐비트 체인에서 이산 시간 결정 상을 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 DTC 질서의 수명은 무엇이며, 불순성 강도와 드라이브 조건에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 시스템은 어떻게 이산 TTS 위반 상과 비위반 상 사이를 전이하는가?
• RQ4 피크 높이와 결정질 분율과 같은 물리적 서명은 DTC 상을 식별하는 데 어떻게 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 8 큐비트 초전도 트랜스몬 체인에서 DTC 상이 실험적으로 관측되었으며, 주기 두배 진동이 20개 이상의 드라이브 주기 동안 지속되었다.
• 드라이브 시간 $ t_2 = 25 $ ns 일 때, 불순성 강도 $ \epsilon \leq 0.12 $ 에서 DTC 질서 수명이 거의 일정하게 유지되어 DTC 상의 강건성을 보여준다.
• $ \epsilon > 0.12 $ 일 때, DTC 수명이 크게 감소하며, 이는 열화와 대칭성 위반 질서의 손실과 일치한다.
• $ \pi/T $ 피크 높이와 결정질 분율 모두 불순성 증가에 따라 DTC 상에서 열화하는 상으로의 부드러운 전이를 보인다.
• 불순성 실현 간 피크 높이의 분산을 통해 DTC와 비위반 TTS 상 사이의 상 경계를 식별하였으며, 임계 점 $ \epsilon_0 \approx 0.12 $ 를 확보하였다.
• DTC 질서 수명은 궁극적으로 트랜스몬 큐비트의 양자 상태 유지 시간에 의해 제한되며, 이는 디코herence가 붕괴의 주요 원인임을 확인한다.