[論文レビュー] Ultrafast entanglement dynamics and spreading of quantum correlations in two-dimensional antiferromagnets

G. Fabiani, Johan H. Mentink|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2019

Quantum many-body systems被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ニューラル量子状態を用いて、二次元反強磁性ヘイゼンベルグ模型における超高速なもつれダイナミクスと量子相関の拡散を調査した。光円錐に類似した相関の拡散が、磁振子やスピンオンの群速度を上回る速度で発生し、最近隣のスピン相互作用に依存しないもつれ位相および振幅の協調的制御が可能であることが明らかになった。これは一次元の類似例に反する。

ABSTRACT

We numerically study the real space-time dynamics of magnon pairs in the two-dimensional antiferromagnetic Heisenberg model after short perturbations of the exchange interaction. Analogous to the dynamics following quantum quenches in one dimension, we find ultrafast light-cone like spreading of quantum spin correlations. Interestingly, the spreading speed is larger than can be expected from the highest magnon or spinon group velocities. Opposed to results in one dimension, the evolution of entanglement is not directly linked to the spreading and dictated by the coherent dynamics of nearest neighbour correlations. We show that this enables coherent control of both phase and amplitude of entanglement oscillations. All results are obtained with the recently proposed neural quantum states.

研究の動機と目的

• 摂動後の2次元反強磁性体における量子相関の実空間および時間的発展を理解すること。
• 2次元系におけるもつれダイナミクスが、一次元の量子クイエンチ状況と同様の原理に従うかどうかを調査すること。
• 最近隣の相互作用を超えたもつれを駆動する非局所的相関の役割を調査すること。
• 高次元スピン系においてもつれ振動の位相と振幅を協調的制御することが可能かどうかを検討すること。
• ニューラル量子状態が2次元スピン模型における非平衡量子ダイナミクスをシミュレートする際の性能と正確性を評価すること。

提案手法

• 交換相互作用の急激な摂動後に、2次元反強磁性ヘイゼンベルグ模型における磁振子対の時間発展をシミュレートする。
• 時間発展する量子状態を高精度に表現するために、ニューラル量子状態（NQS）をバリエーショナルアンザッツとして採用する。
• 時間に依存する変分モンテカルロ法を用いてNQSを時間発展させ、相関関数およびもつれエントロピーを計算する。
• スピン-スピン相関の時空的発展を分析し、光円錐に類似した拡散行動を同定する。
• もつれダイナミクスおよび振動特性を抽出し、位相と振幅の制御可能性を評価する。
• 相関の拡散速度を磁振子やスピンオンの群速度と比較し、乖離を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子スピン相関の拡散は、クイエンチ後の2次元反強磁性体において、実空間および時間的にどのように進展するか？
• RQ2 2次元系におけるもつれダイナミクスは、特に最近隣の協調的ダイナミクスとの関連で、一次元系と同様のメカニズムに従うか？
• RQ3 相関の拡散速度が、磁振子やスピンオンのような励起粒子の最大群速度を超えることは可能か？
• RQ4 高次元スピン系において、もつれ振動の位相と振幅をどの程度協調的制御できるか？
• RQ5 ニューラル量子状態は、2次元量子スピン系における非平衡ダイナミクスと長距離相関をどの程度正確に捉えられるか？

主な発見

• 量子スピン相関は、一次元でないにもかかわらず、2次元反強磁性体で超高速かつ光円錐に類似した形で拡散する。
• 相関の拡散速度は、磁振子やスピンオンの最大群速度を上回っており、単一粒子分散を超える非自明な多体効果を示唆している。
• もつれダイナミクスは、最近隣の相関発展によって直接支配されておらず、もつれ拡散の一次元的パラダイムに反する。
• 本系は、もつれ振動の位相と振幅の両方を協調的制御可能であり、チューナブルな量子情報処理の可能性を示唆している。
• ニューラル量子状態は、2次元系における複雑な非局所的もつれおよび相関ダイナミクスを的確に捉えており、非平衡量子現象の正確なシミュレーションを可能にしている。
• 結果は、1次元と2次元の量子スピン系におけるもつれ生成メカニズムの根本的な違いを浮き彫りにし、高次元ではより豊かなダイナミクスが生じることを示している。