[论文解读] Measuring Fermionic Entanglement - Entropy and Negativity

Eyal Cornfeld, Eran Sela+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Quantum many-body systems被引用 1

一句话总结

本文提出了一套实验协议，通过使用多个量子态的副本、空间均匀的分束器以及局域占据数测量，实现对费米子纠缠的测量。该方法可提取任意阶数的Rényi纠缠熵与纠缠负性，展示了其在模拟局域淬火后纠缠增长以及在非平凡自旋结构流形上进行量子模拟中的应用。

ABSTRACT

The recent direct experimental measurement of quantum entanglement paves the way towards a better understanding of many-body quantum systems and their correlations. Nevertheless, the experimental and theoretical advances had so far been predominantly limited to bosonic systems. Here, we study fermionic systems. Using experimental setups where multiple copies of the same state are prepared, arbitrary order Renyi entanglement entropies and entanglement negativities can be extracted by utilizing spatially-uniform beam splitters and on-site occupation measurement. As an example, we simulate the use of our protocols for measuring the entanglement growth following a local quench. We also illustrate how our paradigm could be used for experimental quantum simulations of fermions on manifolds with nontrivial spin structures.

研究动机与目标

• 将此前仅限于玻色子系统的实验纠缠测量技术，扩展至费米子多体系统。
• 解决费米子纠缠度量（如Rényi熵与负性）缺乏直接实验访问手段的问题。
• 开发一种可扩展的、基于副本的协议，利用标准量子模拟工具实现对费米子系统纠缠的测量。
• 展示利用该协议测量费米子系统在局域淬火后纠缠动力学的可行性。
• 通过纠缠可观测量实现对具有非平凡自旋结构流形上费米子的实验量子模拟。

提出的方法

• 利用在量子模拟器中制备的多个相同费米量子态的副本。
• 应用空间均匀的分束器使副本之间发生纠缠，通过干涉效应提取纠缠度量。
• 在输出模式上执行局域占据数测量，以重建约化密度矩阵的统计矩。
• 利用测得的矩计算任意阶数的Rényi纠缠熵与纠缠负性。
• 利用分束器的对称性与均匀性，确保在测量非局域关联时具有可扩展性与鲁棒性。
• 通过在测量设置中编码拓扑自由度，将该协议适配于在具有非平凡自旋结构的流形上模拟费米子系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过多个副本与标准量子模拟组件实验测量费米子纠缠？
• RQ2 如何从费米子系统中的局域测量中提取Rényi纠缠熵与纠缠负性？
• RQ3 利用该协议测量费米子系统在局域淬火后纠缠增长的可行性如何？
• RQ4 该框架能否扩展至模拟具有非平凡自旋结构流形上的费米子？
• RQ5 空间均匀分束器如何实现对费米子态中非局域纠缠的测量？

主要发现

• 该协议通过多个副本与局域测量，实现了对费米子系统中任意阶Rényi纠缠熵的实验测量。
• 纠缠负性可通过同一框架提取，为费米子态中非局域、非经典的关联提供度量。
• 由于使用了空间均匀分束器与对称测量程序，该方法具有可扩展性与鲁棒性。
• 该协议成功模拟了局域淬火后的纠缠增长，展示了其在研究动力学量子关联方面的实用性。
• 通过在测量基中编码拓扑特征，该框架可适配于在具有非平凡自旋结构的流形上模拟费米子系统。
• 该方法为直接实验获取费米子多体系统中的纠缠提供了路径，此前该路径仅限于理论分析。