[论文解读] Observation of many-body scarring in a Bose--Hubbard quantum simulator

Guo-Xian Su, Hui Sun+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本研究通过倾斜光晶格模拟PXP模型，在玻色- Hubbard量子模拟器中实现了多体量子疤痕效应。尽管此前认为在有限失谐下的全填充初始态会快速热化，但该研究观察到持久的量子复兴与纠缠熵抑制，证实了疤痕效应可从多种初始条件中涌现，并且在周期性驱动下具有鲁棒性。

ABSTRACT

The ongoing quest for understanding nonequilibrium dynamics of complex quantum systems underpins the foundation of statistical physics as well as the development of quantum technology. Quantum many-body scarring has recently opened a window into novel mechanisms for delaying the onset of thermalization by preparing the system in special initial states, such as the $\mathbb{Z}_2$ state in a Rydberg atom system. Here we realize many-body scarring in a Bose-Hubbard quantum simulator from previously unknown initial conditions such as the unit-filling state. We develop a quantum-interference protocol for measuring the entanglement entropy and demonstrate that scarring traps the many-body system in a low-entropy subspace. Our work makes the resource of scarring accessible to a broad class of ultracold-atom experiments, and it allows one to explore the relation of scarring to constrained dynamics in lattice gauge theories, Hilbert space fragmentation, and disorder-free localization.

研究动机与目标

• 将多体疤痕效应的观测从Z2有序初始态扩展至更易实现的初始条件，如全填充态。
• 证明尽管预期会快速热化，疤痕效应仍可在大规模超冷原子系统中稳定量子动力学。
• 开发并实施一种量子干涉协议，用于测量多体系统的纠缠熵。
• 探索疤痕效应、希尔伯特空间碎片化与量子模拟器中受约束动力学之间的关联。
• 研究周期性驱动在增强疤痕态与抑制热化中的作用。

提出的方法

• 利用自旋依赖的超晶格在倾斜光晶格中实现玻色- Hubbard系统中的PXP模型。
• 采用量子干涉协议，通过在双阱结构中相干叠加相同副本，测量纠缠熵。
• 使用单体子系统纠缠熵作为半链分划纠缠熵的代理，推断低熵子空间的动力学行为。
• 在有限失谐下准备系统于全填充初始态，此状态与先前研究的Z2态不同。
• 施加周期性驱动以增强疤痕态的稳定性并延长量子复兴时间。
• 进行数值模拟，并将结果与已知的疤痕态对比，以验证观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在玻色- Hubbard量子模拟器中，利用此前被认为会快速热化的全填充初始态，观测到多体疤痕效应？
• RQ2 在全填充初始态下，纠缠熵是否保持抑制，表明系统被束缚于低熵子空间？
• RQ3 周期性驱动能否增强该系统中疤痕动力学的稳定性和可观测性？
• RQ4 在存在疤痕效应的情况下，测量得到的纠缠熵与半链分划纠缠熵之间有何关系？
• RQ5 希尔伯特空间碎片化与受约束动力学在非特殊初始态下实现疤痕效应的过程中起何种作用？

主要发现

• 在有限失谐下的全填充初始态表现出持久的量子复兴，表明尽管预期会快速热化，仍存在多体疤痕效应。
• 单体平均纠缠熵显著低于热平衡值，证实系统被束缚于低熵子空间。
• 周期性驱动增强了复兴的可见度与寿命，展示了对疤痕动力学的调控能力。
• 测量得到的单体熵与半链分划纠缠熵具有强相关性，验证了局部测量可作为全局纠缠的代理。
• 系统表现出纠缠熵增长受抑制与热化延迟，与碎片化希尔伯特空间中存在疤痕态一致。
• 数值分析确认，即使从非传统初始条件出发，观测到的动力学仍与PXP模型及疤痕态的存在相符。