[论文解读] Realizing and Probing Baryonic Excitations in Rydberg Atom Arrays

Fangli Liu, Seth Whitsitt+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 45被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种基于Rydberg原子阵列的量子模拟平台，通过设计的$Χ_{3}$-平动对称性破缺场，实现并探测介子和重子类准粒子激发。通过在$Χ_{3}$有序的Rydberg链上施加周期性失谐，作者证明了域壁缺陷会形成类似介子和重子的束缚态，其能谱通过非平衡动力学和量子信息传播的减弱得以揭示。

ABSTRACT

We propose a realization of mesonic and baryonic quasiparticle excitations in Rydberg atom arrays with programmable interactions. Recent experiments have shown that such systems possess a $\mathbb{Z}_3$-ordered crystalline phase whose low-energy quasiparticles are defects in the crystalline order. By engineering a $\mathbb{Z}_3$-translational-symmetry breaking field on top of the Rydberg-blockaded Hamiltonian, we show that different types of defects experience confinement, and as a consequence form mesonic or baryonic quasiparticle excitations. We illustrate the formation of these quasiparticles by studying a quantum chiral clock model related to the Rydberg Hamiltonian. We then propose an experimental protocol involving out-of-equilibrium dynamics to directly probe the spectrum of the confined excitations. We show that the confined quasiparticle spectrum can limit quantum information spreading in this system. This proposal is readily applicable to current Rydberg experiments, and the method can be easily generalized to more complex confined excitations (e.g. `tetraquarks', `pentaquarks') in phases with $\mathbb{Z}_q$ order for $q>3$.

研究动机与目标

• 在可控的量子模拟器中实现并探测重子和介子类准粒子激发。
• 解决在介子之外的复杂束缚态（如重子和更高阶强子态）缺乏实验研究平台的问题。
• 证明通过非均匀失谐，可在Rydberg系统中工程化$Χ_{q}$-有序相中的束缚现象。
• 提供一种实验可行的初始态制备和束缚激发谱测量协议。

提出的方法

• 作者使用一维Rydberg原子阵列，其哈密顿量包含Rydberg阻塞、拉比驱动和长程$1/r^6$相互作用。
• 引入空间周期性失谐场以破缺$Χ_{3}$平动对称性，诱导域壁缺陷的束缚。
• 将系统映射到量子手性时钟模型，以分析介子和重子束缚态的形成。
• 利用非平衡量子淬火动力学探测能谱，关联传播作为束缚现象的特征。
• 初始态制备通过单原子寻址创建缺陷态，随后对选定原子施加受控拉比脉冲。
• 测量协议包括时间演化系统，并检测如$Z_9Z_{10}Z_{11}$等关联量，以提取动力学和束缚效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在Rydberg原子阵列量子模拟器中实现并探测重子类准粒子激发？
• RQ2 引入$Χ_{3}$-对称性破缺场如何导致域壁缺陷束缚为介子和重子类束缚态？
• RQ3 在非平衡演化中，哪些动力学特征可区分束缚相与去束缚相？
• RQ4 能否利用当前Rydberg控制技术实验探测束缚准粒子的谱结构？
• RQ5 束缚如何影响系统中量子信息的传播？

主要发现

• 周期性失谐场的引入使域壁缺陷束缚为介子和重子类准粒子，其质量在能谱中清晰可辨。
• 非平衡动力学显示，与去束缚情况相比，束缚相中量子信息传播显著减弱。
• 在去束缚相中，关联传播表现出光锥结构，但在束缚相中由于束缚态形成而显著抑制。
• 该协议可通过单原子寻址和拉比脉冲实现受控缺陷的初始态制备，阻塞态概率低于$10^{-3}$。
• 该方法可推广至$q>3$的$Χ_{q}$-有序相，未来实验中可用于研究如“四夸克态”和“五夸克态”等奇异强子态。
• 动力学和测量协议在当前Rydberg量子模拟器中可直接实现，已有实验能力证明了其可行性。