[论文解读] Growth and preservation of entanglement in a many-body localized system

B. Chiaro, Brooks Foxen+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2019

Quantum many-body systems被引用 14

一句话总结

本研究通过超导量子比特阵列研究了多体局域化（MBL）系统中的量子纠缠动力学，展示了纠缠增长缓慢以及Bell纠缠对的长期保持。通过观测有效非局域相互作用并测量一维和二维系统的纠缠熵，该工作揭示了MBL相作为量子存储的稳健平台，其纠缠退相干被有效抑制。

ABSTRACT

In non-interacting systems disorder leads to Anderson localization, where particle diffusion and entanglement propagation are absent. Interactions between the constituent particles modify this picture, leading to a many-body localized (MBL) phase. A key challenge is to measure interaction induced dynamics of entanglement between the localized sites in this phase. By studying interacting photons in an array of superconducting qubits, we observe ergodicity breaking and directly measure the effective non-local interactions. We probe the entanglement signatures of MBL in 1D and 2D and observe the slow growth of entanglement entropy. Finally, we characterize the potential of the MBL phase to be used as a quantum memory by demonstrating the slow decay of entanglement of a distant bell pair. Our work elucidates the fundamental mechanisms of entanglement formation, propagation, and preservation in the MBL phase of matter.

研究动机与目标

• 研究由无序量子系统中相互作用诱导的多体局域化（MBL）相中纠缠的动力学行为。
• 利用可控平台直接测量MBL相中产生的有效非局域相互作用。
• 通过纠缠熵测量，在一维和二维MBL系统中探测纠缠特征。
• 通过评估远距离Bell对的长期纠缠保持能力，评估MBL相作为量子存储的潜力。

提出的方法

• 利用超导量子比特阵列构建可调谐、具有无序的相互作用多体系统。
• 通过受控的量子比特耦合工程实现有效非局域相互作用，以模拟MBL动力学。
• 测量纠缠熵随时间的增长，以表征局域化及多体效应。
• 制备并监测远距离Bell对，以评估MBL相中长期纠缠退相干行为。
• 在一维和二维构型下进行测量，以比较不同维度下的纠缠动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有相互作用的多体局域化系统中，纠缠熵如何增长？
• RQ2 有效非局域相互作用在MBL相中纠缠态动力学中起什么作用？
• RQ3 MBL相如何随时间保持纠缠，特别是对于空间上分离的量子比特？
• RQ4 一维和二维MBL系统在纠缠动力学上存在哪些差异？

主要发现

• 观测到MBL相中纠缠熵增长缓慢，表明热化被抑制，量子信息实现局域化。
• 直接探测到有效非局域相互作用，证实其在MBL区域中介导纠缠的作用。
• MBL相表现出远距离Bell对的长期纠缠，显示出量子存储应用的潜力。
• 一维和二维构型下的纠缠动力学保持一致，表明高维下局域化效应具有鲁棒性。