[论文解读] Observation of entanglement propagation in a quantum many-body system

Petar Jurcevic, B. P. Lanyon+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2014

Quantum many-body systems参考文献 34被引用 9

一句话总结

本研究在一种一维囚禁离子量子自旋系统中，通过磁振子准粒子实验观测到纠缠的传播，表明长程相互作用导致准粒子速度发散并违反 Lieb-Robinson 光锥界限，从而揭示了超越短程相互作用模型的新量子动力学。

ABSTRACT

The key to explaining a wide range of quantum phenomena is understanding how entanglement propagates around many-body systems. Furthermore, the controlled distribution of entanglement is of fundamental importance for quantum communication and computation. In many situations, quasiparticles are the carriers of information around a quantum system and are expected to distribute entanglement in a fashion determined by the system interactions. Here we report on the observation of magnon quasiparticle dynamics in a one-dimensional many-body quantum system of trapped ions representing an Ising spin model. Using the ability to tune the effective interaction range, and to prepare and measure the quantum state at the individual particle level, we observe new quasiparticle phenomena. For the first time, we reveal the entanglement distributed by quasiparticles around a many-body system. Second, for long-range interactions we observe the divergence of quasiparticle velocity and breakdown of the light-cone picture that is valid for short-range interactions. Our results will allow experimental studies of a wide range of phenomena, such as quantum transport, thermalisation, localisation and entanglement growth, and represent a first step towards a new quantum-optical regime with on-demand quasiparticles with tunable non-linear interactions.

研究动机与目标

• 通过受控的准粒子激发，观测量子多体系统中纠缠传播的动力学。
• 研究长程自旋-自旋相互作用如何影响纠缠传播的速度与结构。
• 检验具有幂律衰减相互作用的系统中 Lieb-Robinson 界限的有效性。
• 探索可调谐囚禁离子量子模拟器中非局域量子关联与准粒子行为的涌现。
• 建立一个用于研究受控多体系统中量子输运、热化与纠缠增长的平台。

提出的方法

• 利用七个囚禁的 40Ca+ 离子组成的 1D 链，模拟具有可调长程相互作用的伊辛自旋模型。
• 通过双频激光场实现具有幂律衰减（J_ij ∝ 1/|i-j|^α）的自旋-自旋耦合，从而控制相互作用范围。
• 通过翻转中心自旋实施局域淬火，产生准粒子激发，并通过单位点量子态层析技术监测纠缠增长。
• 从实验测得的相互作用矩阵中提取准粒子色散关系，拟合为幂律形式，得到 α = 1.36。
• 将实验测得的纠缠传播与在一激发子子空间中的数值模拟进行比较，采用哈密顿量的精确对角化方法。
• 利用修正贝塞尔函数评估 Lieb-Robinson 界限，量化长程系统中光锥界限的违反程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有长程相互作用的一维量子多体系统中，准粒子如何分布纠缠？
• RQ2 当相互作用随距离幂律衰减时，Lieb-Robinson 速度界限是否仍然有效？
• RQ3 相互作用范围与纠缠传播的有效速度之间存在何种关系？
• RQ4 在囚禁离子量子模拟器中，随着相互作用范围增加，准粒子色散关系如何演化？
• RQ5 实验观测纠缠传播是否能揭示超越短程模型的非局域量子动力学特征？

主要发现

• 首次在囚禁离子量子多体系统中直接观测到通过磁振子准粒子传播的纠缠。
• 测得的准粒子群速度达到最大值 v_g^max ≈ 0.46 J/h，与拟合色散关系的最陡斜率一致。
• 随着相互作用范围增加（α ≈ 1.36），准粒子速度超过最近邻 Lieb-Robinson 界限，表明光锥图像的失效。
• 实验信号的传播速度超过最近邻 Lieb-Robinson 界限所允许的范围，该结果经数值模拟和基于修正贝塞尔函数的解析界限验证。
• 对 N=7 个离子测得的相互作用矩阵 J_ij 显示出幂律依赖关系，指数 α = 1.36，证实了可调长程相互作用。
• 本研究表明，长程相互作用导致准粒子速度发散与非局域纠缠动力学，挑战了传统量子信息速度极限。