[论文解读] Ultrafast entanglement dynamics and spreading of quantum correlations in two-dimensional antiferromagnets

G. Fabiani, Johan H. Mentink|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2019

Quantum many-body systems被引用 9

一句话总结

本研究利用神经量子态，研究了二维反铁磁海森堡模型中的超快纠缠动力学与量子关联传播。研究发现，关联传播呈现出类似光锥的特性，传播速度超过自旋波或自旋激发的群速度，且可独立于近邻动力学实现对纠缠相位与振幅的相干调控——这挑战了一维类比模型的结论。

ABSTRACT

We numerically study the real space-time dynamics of magnon pairs in the two-dimensional antiferromagnetic Heisenberg model after short perturbations of the exchange interaction. Analogous to the dynamics following quantum quenches in one dimension, we find ultrafast light-cone like spreading of quantum spin correlations. Interestingly, the spreading speed is larger than can be expected from the highest magnon or spinon group velocities. Opposed to results in one dimension, the evolution of entanglement is not directly linked to the spreading and dictated by the coherent dynamics of nearest neighbour correlations. We show that this enables coherent control of both phase and amplitude of entanglement oscillations. All results are obtained with the recently proposed neural quantum states.

研究动机与目标

• 理解在微扰后，二维反铁磁体中量子关联在实空间与时间上的演化过程。
• 研究二维系统中的纠缠动力学是否遵循与一维量子淬火情景相同的原理。
• 探讨非局域关联在驱动超越近邻动力学的纠缠中的作用。
• 确定在高维自旋系统中是否可实现对纠缠振荡的相干调控。
• 评估神经量子态在模拟二维自旋模型中非平衡量子动力学时的性能与准确性。

提出的方法

• 在交换相互作用发生突然微扰后，模拟二维反铁磁海森堡模型中自旋对的实时动力学。
• 采用神经量子态（NQS）作为变分波函数，以高精度表示时间演化中的量子态。
• 利用时间依赖变分蒙特卡洛技术演化NQS，并计算关联函数与纠缠熵。
• 分析自旋-自旋关联的时空演化，以识别类似光锥的传播行为。
• 提取纠缠动力学与振荡特征，以评估相位与振幅控制的潜力。
• 将关联传播速度与自旋波或自旋激发的群速度进行比较，以识别偏离现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子淬火后，二维反铁磁体中量子自旋关联在实空间与时间上的演化过程如何？
• RQ2 二维系统中的纠缠动力学是否遵循与一维系统相同的机制，特别是与近邻相干动力学的关联？
• RQ3 关联传播速度是否可能超过自旋波或自旋激发等元激发的最大群速度？
• RQ4 在高维自旋系统中，对纠缠振荡的相位与振幅的相干调控程度如何？
• RQ5 神经量子态在捕捉二维量子磁体中非平衡动力学与长程关联方面的有效性如何？

主要发现

• 在二维反铁磁体中，量子自旋关联表现出超快、类似光锥的传播，尽管系统并非一维。
• 关联传播速度超过自旋波或自旋激发的最大群速度，表明存在超越单粒子能谱的非平凡多体效应。
• 纠缠动力学并非由近邻关联演化直接主导，这挑战了一维系统中纠缠传播的范式。
• 该系统可实现对纠缠振荡相位与振幅的相干调控，暗示其在可调量子信息处理中的潜力。
• 神经量子态成功捕捉了二维系统中复杂的非局域纠缠与关联动力学，实现了对非平衡量子现象的精确模拟。
• 结果凸显了一维与二维量子自旋系统在纠缠生成机制上的根本差异，高维系统中涌现出更丰富的动力学行为。