[论文解读] Direct measurement of non-local interactions in the many-body localized phase

B. Chiaro, C. Neill+59 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 26

一句话总结

本研究通过超导量子比特平台中的相位敏感协议，实验测量了多体局域化（MBL）相中的非局域相互作用。通过量子态层析重建单量子比特和双量子比特密度矩阵，作者绘制了局域积分（LIOMs）的结构，并直接观测到对数增长的纠缠和持久的量子关联，表明尽管存在非局域退相干相互作用，MBL系统仍能在长时间尺度上保留初始纠缠的记忆。

ABSTRACT

The interplay of interactions and strong disorder can lead to an exotic quantum many-body localized (MBL) phase. Beyond the absence of transport, the MBL phase has distinctive signatures, such as slow dephasing and logarithmic entanglement growth; they commonly result in slow and subtle modification of the dynamics, making their measurement challenging. Here, we experimentally characterize these properties of the MBL phase in a system of coupled superconducting qubits. By implementing phase sensitive techniques, we map out the structure of local integrals of motion in the MBL phase. Tomographic reconstruction of single and two qubit density matrices allowed us to determine the spatial and temporal entanglement growth between the localized sites. In addition, we study the preservation of entanglement in the MBL phase. The interferometric protocols implemented here measure affirmative correlations and allow us to exclude artifacts due to the imperfect isolation of the system. By measuring elusive MBL quantities, our work highlights the advantages of phase sensitive measurements in studying novel phases of matter.

研究动机与目标

• 实验探测多体局域化（MBL）相中局域积分（LIOMs）的结构。
• 测量导致无序量子系统中缓慢退相干和对数纠缠增长的非局域相互作用。
• 通过纠缠浓缩协议，证明MBL相中量子关联的保持。
• 通过纠缠熵（EOF）和可浓缩纠缠（DE）等肯定性关联度量，验证MBL动力学对开放系统效应的鲁棒性。

提出的方法

• 利用一维和二维耦合超导量子比特阵列，实现具有可调局域无序和Hubbard相互作用的无序玻色-哈伯德哈密顿量。
• 实施相位敏感的干涉测量协议，以测量非局域关联并排除不完全隔离带来的伪影。
• 对单量子比特和双量子比特子系统执行量子态层析，重建密度矩阵并提取纠缠动力学。
• 测量纠缠熵（EOF）和可浓缩纠缠（DE），以量化空间分离量子比特随时间的关联性。
• 使用对数负性与相干信息作为可浓缩纠缠的下界，评估量子关联的持久性。
• 通过分析不同无序强度下局域化长度ξ的分布，绘制局域轨道（LIOMs）的空间结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 非局域相互作用在多体局域相的纠缠动力学中如何表现？
• RQ2 在无序条件下，MBL相中的局域积分（LIOMs）的空间局域化长度在多大程度上呈现空间变化？
• RQ3 相位敏感测量能否直接探测驱动缓慢退相干和对数纠缠增长的非局域相互作用结构？
• RQ4 纠缠的单重性如何影响高维MBL系统中量子关联的持久性？
• RQ5 MBL相是否能在长时间尺度上保留初始量子关联的记忆，例如贝尔态纠缠？

主要发现

• 通过相位敏感干涉测量协议，直接测定了MBL相中的非局域相互作用，证实其在诱导缓慢退相干和对数纠缠增长中的作用。
• 在二维系统中，由于纠缠的单重性，纠缠熵（EOF）随时间减少，因为子系统量子比特与环境量子比特共享关联，导致其相互纠缠减弱。
• 当远程光子远离贝尔对时，可浓缩纠缠（DE）在多个跃迁时间尺度内保持有限，表明初始量子关联具有长寿命记忆。
• 相干信息（提供DE的下界）在远程光子靠近时更早趋近于零，表明由于增强的非局域耦合，退相干过程加快。
• 在MBL相中，系统保留了初始量子关联的记忆，DE在长时间尺度上持续存在，尤其在高无序度和大空间分离条件下更为显著。
• 密度矩阵的层析重建表明，LIOMs的空间结构由局域化长度ξ的分布决定，该分布随无序强度w的增加而减小。