[论文解读] Realizing discrete time crystal in an one-dimensional superconducting qubit chain

Huikai Xu, Jing-Ning Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2021

Quantum many-body systems参考文献 14被引用 12

一句话总结

该论文通过弗洛凯工程在一条一维超导transmon量子比特链中实验实现了离散时间晶体（DTC）相。通过对8个电容耦合的transmon量子比特施加周期性驱动，研究者观测到了长寿命的周期加倍振荡——这是离散时间平移对称性自发破缺的证据——其持续时间仅受限于量子比特的相干时间，从而证实了在可扩展的超导平台中存在DTC相。

ABSTRACT

Floquet engineering, i.e. driving the system with periodic Hamiltonians, not only provides great flexibility in analog quantum simulation, but also supports phase structures of great richness. It has been proposed that Floquet systems can support a discrete time-translation symmetry (TTS) broken phase, dubbed the discrete time crystal (DTC). This proposal, as well as the exotic phase, has attracted tremendous interest among the community of quantum simulation. Here we report the observation of the DTC in an one-dimensional superconducting qubit chain. We experimentally realize long-time stroboscopic quantum dynamics of a periodically driven spin system consisting of 8 transmon qubits, and obtain a lifetime of the DTC order limited by the coherence time of the underlying physical platform. We also explore the crossover between the discrete TTS broken and unbroken phases via various physical signatures. Our work extends the usage of superconducting circuit systems in quantum simulation of many-body physics, and provides an experimental tool for investigating non-equilibrium dynamics and phase structures.

研究动机与目标

• 通过超导量子比特实现并观测一个周期性驱动的多体量子系统中的离散时间晶体（DTC）相。
• 在可控的量子平台上探索离散时间平移对称性（TTS）破缺与未破缺相之间的转变。
• 证明利用超导电路模拟非平衡量子相的可行性。
• 研究在不同无序和驱动参数下DTC序的寿命与稳定性。

提出的方法

• 通过时间周期性哈密顿量 $ H(t) = H(t+T) $ 对8个电容耦合的transmon量子比特阵列施加弗洛凯工程。
• 系统的抽样动力学由有效弗洛凯哈密顿量 $ H_F $ 控制，其来源于时间有序演化算符 $ \hat{U}(t) = \hat{P}(t)e^{-iH_F t} $。
• 通过调节拉比频率 $ t_2 $ 和无序强度 $ \epsilon $，实现对DTC与热化相之间相变的调控。
• 利用量子态层析与磁化动力学的傅里叶分析，提取 $ \pi/T $ 峰高，作为周期加倍的特征信号。
• 通过将 $ \pi/T $ 峰高衰减拟合为双指数函数 $ f(t) = \sum_{i=1,2} C_i e^{-t/\tau_i} + C_0 $，量化DTC序的寿命。
• 通过100组无序实现下峰高方差的分析，结合洛伦兹型函数拟合，确定相变临界点。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过弗洛凯工程在超导量子比特链中实验实现离散时间晶体相？
• RQ2 DTC序的寿命如何？其与无序强度和驱动参数的关系是什么？
• RQ3 系统如何在离散TTS破缺与未破缺相之间发生转变？
• RQ4 哪些物理特征——如峰高与晶体分数——可用于识别DTC相？

主要发现

• 在8量子比特的超导transmon链中实验观测到DTC相，周期加倍振荡持续超过20个驱动周期。
• 当 $ t_2 = 25 $ ns 时，DTC序的寿命在无序强度 $ \epsilon \leq 0.12 $ 范围内几乎保持不变，表明DTC相具有强鲁棒性。
• 当 $ \epsilon > 0.12 $ 时，DTC寿命显著下降，与热化开始及对称性破缺序的消失一致。
• $ \pi/T $ 峰高与晶体分数均随无序强度增加，平滑地从DTC相过渡至热化相。
• 通过无序实现下峰高方差分析，确定了DTC与未破缺TTS相之间的相边界，临界点 $ \epsilon_0 \approx 0.12 $。
• DTC序的寿命最终受限于transmon量子比特的相干时间，证实退相干是衰减的主要来源。