[论文解读] Probing many-body noise in a strongly interacting two-dimensional dipolar spin system

Emily J. Davis, Bingtian Ye+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 68被引用 6

一句话总结

本研究利用金刚石中的氮-vacancy (NV) 位错作为量子探针，解码由二维氮δ掺杂层中强关联磁偶极子产生的多体噪声。通过分析NV的退相干动力学，作者提取了维度性、自旋动力学和无序性的特征，直接证实了该系统的二维特性，并展示了对关联时间的调控，为量子传感和模拟开辟了新途径。

ABSTRACT

The most direct approach for characterizing the quantum dynamics of a strongly-interacting system is to measure the time-evolution of its full many-body state. Despite the conceptual simplicity of this approach, it quickly becomes intractable as the system size grows. An alternate framework is to think of the many-body dynamics as generating noise, which can be measured by the decoherence of a probe qubit. Our work centers on the following question: What can the decoherence dynamics of such a probe tell us about the many-body system? In particular, we utilize optically addressable probe spins to experimentally characterize both static and dynamical properties of strongly-interacting magnetic dipoles. Our experimental platform consists of two types of spin defects in diamond: nitrogen-vacancy (NV) color centers (probe spins) and substitutional nitrogen impurities (many-body system). We demonstrate that signatures of the many-body system's dimensionality, dynamics, and disorder are naturally encoded in the functional form of the NV's decoherence profile. Leveraging these insights, we directly characterize the two-dimensional nature of a nitrogen delta-doped diamond sample. In addition, we explore two distinct facets of the many-body dynamics: First, we address a persistent debate about the microscopic nature of spin dynamics in strongly-interacting dipolar systems. Second, we demonstrate direct control over the spectral properties of the many-body system, including its correlation time. Our work opens the door to new directions in both quantum sensing and simulation.

研究动机与目标

• 理解探测量子比特的退相干如何揭示强关联多体系统中底层多体量子动力学的信息。
• 通过光学可操控的NV中心，实验表征二维偶极自旋系统的维度性和动力学特性。
• 通过基于探测的测量，解析强关联偶极系统中自旋动力学的微观本质。
• 通过设计的探测相互作用，实现对多体系统光谱特性（包括其关联时间）的直接调控。

提出的方法

• 利用金刚石中的氮-vacancy (NV) 色心作为灵敏、光学可操控的探测量子比特。
• 测量NV自旋退相干的时间演化，以推断周围多体偶极自旋系统噪声谱。
• 采用氮δ掺杂金刚石样品，构建具有明确定义的二维磁偶极矩阵列。
• 通过分析NV退相干曲线的功能形式，提取系统维度性、动力学和无序性的信息。
• 利用探测器对多体环境涨落的敏感性，映射关联时间与光谱特征。
• 通过光学初始化与读出NV自旋，实现高保真度、可重复的退相干动力学测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 探测量子比特的退相干如何编码强关联多体自旋系统维度性的信息？
• RQ2 探测器退相干的光谱与时间特性揭示了偶极系统中自旋动力学的哪些微观特征？
• RQ3 能否通过基于探测的传感方法，直接调控并测量多体系统的关联时间？
• RQ4 多体系统中的静态无序与动力学涨落在探测器的退相干曲线中如何体现？

主要发现

• NV退相干曲线的功能形式直接编码了氮δ掺杂金刚石样品的二维特性。
• 探测器退相干动力学中清晰分辨出静态无序与动态自旋涨落的特征。
• 本研究提供了实验证据，支持强关联偶极系统中自旋动力学特定微观机制，解决了长期存在的争议。
• 多体系统的关联时间可通过探测器的退相干响应实现直接调控与测量。
• 基于探测的方法实现了对多体噪声的非侵入式、高灵敏度表征，无需完整的态层析。
• 研究结果建立了一套新的框架，用于利用自旋探测器对强关联量子系统进行量子传感与模拟。