[论文解读] Waveguide QED toolboxes for synthetic quantum matter with neutral atoms

Y. Dong, Y. S. Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 4

一句话总结

本文提出了一套可编程工具箱，用于利用近一维光子晶体波导中的中性原子构建复杂的量子自旋网络，其中长程相互作用通过原子集体运动和声子介导。该方法可通过动态生成的规范场实现2-局部及长程SU(n)对称自旋模型的通用模拟，为合成量子物质提供可扩展的平台。

ABSTRACT

An exciting frontier in quantum information science is the realization of complex many-body systems whose interactions are designed quanta by quanta. Hybrid nanophotonic system with cold atoms has emerged as the paradigmatic platform for engineering long-range spin models from the bottom up with unprecedented complexities. Here, we develop a toolbox for realizing a fully programmable complex spin-network with neutral atoms in the vicinity of 1D photonic crystal waveguides. The enabling platform synthesizes strongly interacting quantum materials mediated by phonons from the underlying collective external motion of the atoms. We generalize our approach of universal 2-local Hamiltonians to long-range lattice models for interacting SU(n)-magnons mediated by local dynamical gauge fields.

研究动机与目标

• 开发一个完全可编程的平台，用于模拟具有工程化长程相互作用的复杂多体量子系统。
• 通过光波导和原子集体运动，克服超冷原子系统中短程相互作用的局限性。
• 利用光波导环境中的中性原子，实现2-局部和长程自旋哈密顿量的通用模拟。
• 通过局部动态规范场，将框架扩展至SU(n)-对称自旋子模型。
• 提供一种可扩展的架构，实现对相互作用的逐量子化、按需调控，用于合成量子物质。

提出的方法

• 利用一维光子晶体波导，通过光子交换介导中性原子之间的长程相互作用。
• 通过原子集体外部运动实现相互作用工程，与波导模式中的声子耦合。
• 通过受控的原子-波导耦合和可调激光驱动，构建通用2-局部哈密顿量。
• 引入局部动态规范场，以在SU(n)-对称自旋子模型中介导长程相互作用。
• 采用基于强耦合原子与波导模式之间有效自旋哈密顿量的理论框架。
• 将该方法推广至支持可调相互作用范围和对称性的复杂晶格模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用中性原子和光波导，以完全可编程的方式实现长程自旋相互作用？
• RQ2 原子集体运动和声子在介导有效自旋-自旋相互作用中扮演何种角色？
• RQ3 该平台能否实现高可调性与可扩展性的通用2-局部哈密顿量模拟？
• RQ4 在此架构中，如何通过动态生成的规范场实现SU(n)-对称自旋子模型？
• RQ5 该工具箱扩展至具有长程、对称性保护相互作用的复杂晶格几何结构的可行性如何？

主要发现

• 该平台通过工程化原子-波导耦合和集体运动，实现了2-局部自旋哈密顿量的通用模拟。
• 长程相互作用通过原子集体运动产生的声子介导，实现了可调相互作用范围。
• 该框架可通过局部动态规范场实现SU(n)-对称自旋子模型。
• 该系统支持相互作用的逐量子化设计，为多体哈密顿量提供了前所未有的控制能力。
• 该方法为具有复杂自旋网络的合成量子物质提供了可扩展架构。