Brechen der Ergodizität unter Einschluss in Kaltatom-Quantensimulatoren

Brechen der Ergodizität unter Einschluss in Kaltatom-Quantensimulatoren

Zeitstempel: 29. Februar 2024, 11:05 Uhr

Jean-Yves Desaules1, Guo-Xian Su2,3,4, Ian P. McCulloch5, Bing Yang6, Zlatko Papic1 und Jad C. Halimeh7,8

1Fakultät für Physik und Astronomie, University of Leeds, Leeds LS2 9JT, Großbritannien
2Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale und Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China
3Physikalisches Institut, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 226, 69120 Heidelberg, Deutschland
4CAS Center for Excellence und Synergetic Innovation Center in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China
5Fakultät für Mathematik und Physik, The University of Queensland, St. Lucia, QLD 4072, Australien
6Institut für Physik, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China
7Fachbereich Physik und Arnold Sommerfeld Center for Theoretical Physics (ASC), Ludwig-Maximilians-Universität München, Theresienstraße 37, D-80333 München, Deutschland
8Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST), Schellingstraße 4, D-80799 München, Deutschland

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Abstrakt

Die Quantensimulation von Eichtheorien an Geräten aus synthetischer Quantenmaterie hat im letzten Jahrzehnt stark an Bedeutung gewonnen und ermöglicht die Beobachtung einer Reihe exotischer Quanten-Vielteilchenphänomene. In dieser Arbeit betrachten wir die Spin-$1/2$-Quantenverbindungsformulierung der $1+1$D-Quantenelektrodynamik mit einem topologischen $theta$-Winkel, die zur Abstimmung eines Confinement-Deconfinement-Übergangs verwendet werden kann. Indem wir dieses System exakt auf ein PXP-Modell mit Massen- und gestaffelten Magnetisierungstermen abbilden, zeigen wir ein faszinierendes Zusammenspiel zwischen Einschluss und den ergodizitätsbrechenden Paradigmen der Quanten-Vielteilchen-Narbenbildung und Hilbert-Raum-Fragmentierung. Wir zeichnen das reichhaltige dynamische Phasendiagramm dieses Modells auf und finden eine ergodische Phase bei kleinen Werten der Masse $mu$ und begrenzendem Potential $chi$, eine entstehende integrierbare Phase für große Werte von $mu$ und eine fragmentierte Phase für große Werte von beide Parameter. Wir zeigen auch, dass Letzteres Resonanzen beherbergt, die zu einer Vielzahl wirksamer Modelle führen. Wir schlagen experimentelle Untersuchungen unserer Erkenntnisse vor, auf die in aktuellen Kaltatom-Aufbauten direkt zugegriffen werden kann.

Ergodizitätsbruch unter Einschluss in Kaltatom-Quantensimulatoren PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikale Suche. Ai.

Ausgewähltes Bild: Schematische Darstellung des reichhaltigen dynamischen Phasendiagramms des Spin-1/2-Quantenverbindungsmodells.

Populäre Zusammenfassung

Eichtheorien liefern eine grundlegende Beschreibung von Elementarteilchen. Das Verständnis der Nichtgleichgewichtseigenschaften von Eichtheorien verspricht, Licht auf eine Vielzahl dynamischer Phänomene in der Hochenergieteilchenphysik, der kondensierten Materie und sogar der Entwicklung des frühen Universums zu werfen. Parallel zu den traditionellen Methoden zur Untersuchung von Eichtheorien, wie etwa hochenergetischen Teilchenbeschleunigern, hat sich in jüngster Zeit die analoge Simulation mit synthetischer Quantenmaterie als leistungsstarke Alternative zur Untersuchung der Dynamik solcher Theorien auf einem Gitter herausgestellt.

In unserer Arbeit untersuchen wir numerisch eine Spin-1/2-Regularisierung des Schwinger-Modells, das die 1+1D-Quantenelektrodynamik beschreibt. Wir zeigen, dass die Variation der Modellparameter – der fermionischen Masse und des topologischen Winkels – den Zugriff auf ein breites Spektrum dynamischer Phänomene ermöglicht. Insbesondere finden wir Regime, in denen die Quantendynamik zu anhaltenden Schwingungen aus speziellen Anfangszuständen führt, die mit Quanten-Vielteilchen-Narbenbildung identifiziert werden. Überraschenderweise stellen wir fest, dass die vernarbten Schwingungen bei Einschluss verstärkt werden können. In anderen Teilen des Parameterraums zerfällt der Hilbert-Raum in exponentiell viele Komponenten, wobei eine zusätzliche Struktur in Form von Zwei-Parameter-Resonanzen auftritt. Schließlich zeigen wir durch groß angelegte numerische Simulationen, dass unsere Erkenntnisse in den bestehenden Experimenten zu ultrakalten Bosonen in optischen Gittern umgesetzt werden können

► BibTeX-Daten

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[65] Ana Hudomal, Jean-Yves Desaules, Bhaskar Mukherjee, Guo-Xian Su, Jad C. Halimeh und Zlatko Papić. „Antrieb von Quanten-Vielteilchen-Narben im PXP-Modell“. Physik. Rev. B 106, 104302 (2022).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.106.104302

[66] Debasish Banerjee und Arnab Sen. „Quantennarben von Nullmoden in einer abelschen Gittereichtheorie auf Leitern“. Phys. Rev. Lett. 126, 220601 (2021).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.126.220601

[67] Jean-Yves Desaules, Debasish Banerjee, Ana Hudomal, Zlatko Papić, Arnab Sen und Jad C. Halimeh. „Schwache Ergodizitätsbrechung im Schwinger-Modell“. Physik. Rev. B 107, L201105 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.107.L201105

[68] Jean-Yves Desaules, Ana Hudomal, Debasish Banerjee, Arnab Sen, Zlatko Papić und Jad C. Halimeh. „Hervorragende Quanten-Vielteilchennarben in einem verkürzten Schwinger-Modell“. Physik. Rev. B 107, 205112 (2023).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.107.205112

[69] Sanjay Moudgalya und Olexei I. Motrunich. „Hilbert-Raumfragmentierung und Kommutantenalgebren“. Physik. Rev. X 12, 011050 (2022).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevX.12.011050

[70] Tibor Rakovszky, Pablo Sala, Ruben Verresen, Michael Knap und Frank Pollmann. „Statistische Lokalisierung: Von starker Fragmentierung zu starken Kantenmodi“. Physik. Rev. B 101, 125126 (2020).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.101.125126

[71] Giuseppe De Tomasi, Daniel Hetterich, Pablo Sala und Frank Pollmann. „Dynamik stark interagierender Systeme: Von der Fock-Raum-Fragmentierung zur Vielteilchenlokalisierung“. Physik. Rev. B 100, 214313 (2019).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.100.214313

[72] Zhi-Cheng Yang, Fangli Liu, Alexey V. Gorshkov und Thomas Iadecola. „Hilbert-Raum-Fragmentierung durch strikte Eingrenzung“. Physik. Rev. Lett. 124, 207602 (2020).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.124.207602

[73] I-Chi Chen und Thomas Iadecola. „Emergente Symmetrien und langsame Quantendynamik in einer Rydberg-Atomkette mit Einschluss“. Physik. Rev. B 103, 214304 (2021).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.103.214304

[74] Sebastian Scherg, Thomas Kohlert, Pablo Sala, Frank Pollmann, Bharath Hebbe Madhusudhana, Immanuel Bloch und Monika Aidelsburger. „Beobachtung der Nichtergodizität aufgrund kinetischer Einschränkungen in geneigten Fermi-Hubbard-Ketten“. Nature Communications 12, 4490 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-24726-0

[75] Thomas Kohlert, Sebastian Scherg, Pablo Sala, Frank Pollmann, Bharath Hebbe Madhusudhana, Immanuel Bloch und Monika Aidelsburger. „Erforschung des Fragmentierungsregimes in stark geneigten Fermi-Hubbard-Ketten“. Physik. Rev. Lett. 130, 010201 (2023).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.130.010201

[76] Andrew JA James, Robert M. Konik und Neil J. Robinson. „Nichtthermische Zustände, die durch den Einschluss in einer und zwei Dimensionen entstehen“. Physik. Rev. Lett. 122, 130603 (2019).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.122.130603

[77] Neil J. Robinson, Andrew JA James und Robert M. Konik. „Signaturen seltener Zustände und Thermalisierung in einer Theorie mit Einschluss“. Physik. Rev. B 99, 195108 (2019).
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[78] Paolo Pietro Mazza, Gabriele Perfetto, Alessio Lerose, Mario Collura und Andrea Gambassi. „Unterdrückung des Transports in ungeordneten Quantenspinketten aufgrund begrenzter Anregungen“. Physik. Rev. B 99, 180302(R) (2019).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.99.180302

[79] Alessio Lerose, Federica M. Surace, Paolo P. Mazza, Gabriele Perfetto, Mario Collura und Andrea Gambassi. „Quasilokalisierte Dynamik durch Einschluss von Quantenanregungen“. Physik. Rev. B 102, 041118 (2020).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.102.041118

[80] Ulrich Schollwöck. „Die Dichtematrix-Renormalisierungsgruppe im Zeitalter der Matrixproduktzustände“. Annals of Physics 326, 96–192 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2010.09.012

[81] Sebastian Paeckel, Thomas Köhler, Andreas Swoboda, Salvatore R. Manmana, Ulrich Schollwöck und Claudius Hubig. „Zeitentwicklungsmethoden für Matrixproduktzustände“. Annals of Physics 411, 167998 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2019.167998

[82] Weitere Analysen und Hintergrundberechnungen zur Unterstützung der Ergebnisse im Haupttext finden Sie im ergänzenden Material. Das ergänzende Material enthält Refs. [73, 92, 93, 93–35, 98, 102–104].

[83] Dayou Yang, Gouri Shankar Giri, Michael Johanning, Christof Wunderlich, Peter Zoller und Philipp Hauke. „Analoge Quantensimulation einer $(1+1)$-dimensionalen Gitter-QED mit gefangenen Ionen“. Physik. Rev. A 94, 052321 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052321

[84] E. Rico, T. Pichler, M. Dalmonte, P. Zoller und S. Montangero. „Tensornetzwerke für Gittereichtheorien und atomare Quantensimulation“. Physik. Rev. Lett. 112, 201601 (2014).
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[85] Maarten Van Damme, Jad C. Halimeh und Philipp Hauke. „Eichsymmetrie-Verletzung des Quantenphasenübergangs in Gittereichtheorien“ (2020). arXiv:2010.07338.
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[86] Sidney Coleman, R. Jackiw und Leonard Susskind. „Ladungsabschirmung und Quark-Einschluss im massiven Schwinger-Modell“. Annals of Physics 93, 267–275 (1975).
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[87] Soonwon Choi, Christopher J. Turner, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Alexios A. Michailidis, Zlatko Papić, Maksym Serbyn, Mikhail D. Lukin und Dmitry A. Abanin. „Emergent SU(2)-Dynamik und perfekte Quanten-Vielteilchennarben“. Physik. Rev. Lett. 122, 220603 (2019).
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[88] Berislav Buča, Joseph Tindall und Dieter Jaksch. „Instationäre kohärente Quanten-Vielteilchendynamik durch Dissipation“. Nature Communications 10, 1730 (2019).
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[89] Thomas Iadecola, Michael Schecter und Shenglong Xu. „Quantenvielteilchennarben durch Magnonenkondensation“. Physik. Rev. B 100, 184312 (2019).
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[90] Kieran Bull, Jean-Yves Desaules und Zlatko Papić. „Quantennarben als Einbettungen schwach gebrochener Lie-Algebra-Darstellungen“. Physik. Rev. B 101, 165139 (2020).
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[91] Budhaditya Bhattacharjee, Samudra Sur und Pratik Nandy. „Untersuchung von Quantennarben und schwacher Ergodizität, die die Quantenkomplexität durchbrechen“. Physik. Rev. B 106, 205150 (2022).
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[92] Keita Omiya und Markus Müller. „Quantenvielteilchennarben in zweiteiligen Rydberg-Anordnungen, die durch die Einbettung versteckter Projektoren entstehen“. Physik. Rev. A 107, 023318 (2023).
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[93] Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Hannes Pichler und Mikhail D. Lukin. "Periodische Umlaufbahnen, Verschränkung und Quanten-Vielteilchen-Narben in eingeschränkten Modellen: Matrix-Produktzustandsansatz". Phys. Rev. Lett. 122, 040603 (2019).
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[94] Paul Fendley, K. Sengupta und Subir Sachdev. „Konkurrierende Dichtewellenordnungen in einem eindimensionalen Hartbosonenmodell“. Physik. Rev. B 69, 075106 (2004).
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[95] Paul Fendley, Bernard Nienhuis und Kareljan Schoutens. „Gitter-Fermion-Modelle mit Supersymmetrie“. Journal of Physics A: Mathematical and General 36, 12399 (2003).
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[96] Haifeng Lang, Philipp Hauke, Johannes Knolle, Fabian Grusdt und Jad C. Halimeh. „Störungsfreie Lokalisierung mit Stark-Spurschutz“. Physik. Rev. B 106, 174305 (2022).
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[97] Jad C. Halimeh, Haifeng Lang, Julius Mildenberger, Zhang Jiang und Philipp Hauke. "Eichsymmetrieschutz mit Einkörperbegriffen". PRX Quantum 2, 040311 (2021).
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[98] Johannes Hauschild und Frank Pollmann. „Effiziente numerische Simulationen mit Tensor-Netzwerken: Tensor Network Python (TeNPy)“. SciPost Phys. Vortrag. NotizenSeite 5 (2018).
https: / / doi.org/ 10.21468 / SciPostPhysLectNotes.5

[99] Wei-Yong Zhang, Ying Liu, Yanting Cheng, Ming-Gen He, Han-Yi Wang, Tian-Yi Wang, Zi-Hang Zhu, Guo-Xian Su, Zhao-Yu Zhou, Yong-Guang Zheng, Hui Sun, Bing Yang, Philipp Hauke, Wei Zheng, Jad C. Halimeh, Zhen-Sheng Yuan und Jian-Wei Pan. „Beobachtung der mikroskopischen Einschlussdynamik durch einen einstellbaren topologischen $theta$-Winkel“ (2023). arXiv:2306.11794.
arXiv: 2306.11794

[100] Adith Sai Aramthottil, Utso Bhattacharya, Daniel González-Cuadra, Maciej Lewenstein, Luca Barbiero und Jakub Zakrzewski. „Narbenzustände in dekonfinierten $mathbb{Z}_2$-Gittereichtheorien“. Phys. Rev. B 106, L041101 (2022).
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[101] Vadim Oganesyan und David A. Huse. „Lokalisierung wechselwirkender Fermionen bei hoher Temperatur“. Physik. Rev. B 75, 155111 (2007).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.75.155111

[102] Sergey Bravyi, David P. DiVincenzo und Daniel Loss. „Schrieffer-Wolff-Transformation für Quanten-Vielteilchensysteme“. Annals of Physics 326, 2793 – 2826 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.aop.2011.06.004

[103] AA Michailidis, CJ Turner, Z. Papić, DA Abanin und M. Serbyn. „Langsame Quantenthermalisierung und Vielteilchen-Wiederbelebung aus dem Mischphasenraum“. Physik. Rev. X 10, 011055 (2020).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevX.10.011055

[104] CJ Turner, J.-Y. Desaules, K. Bull und Z. Papić. „Korrespondenzprinzip für Vielkörpernarben in ultrakalten Rydberg-Atomen“. Physik. Rev. X 11, 021021 (2021).
https://doi.org/ 10.1103/PhysRevX.11.021021

Zitiert von

[1] Roland C. Farrell, Marc Illa, Anthony N. Ciavarella und Martin J. Savage, „Quantum Simulations of Hadron Dynamics in the Schwinger Model using 112 Qubits“, arXiv: 2401.08044, (2024).

[2] Pranay Patil, Ayushi Singhania und Jad C. Halimeh, „Schutz der Hilbert-Raumfragmentierung durch Quanten-Zeno-Dynamik“, Physische Überprüfung B 108 19, 195109 (2023).

Die obigen Zitate stammen von SAO / NASA ADS (Zuletzt erfolgreich aktualisiert am 2024, 02:29:16 Uhr). Die Liste ist möglicherweise unvollständig, da nicht alle Verlage geeignete und vollständige Zitationsdaten bereitstellen.

Konnte nicht abrufen Crossref zitiert von Daten während des letzten Versuchs 2024-02-29 16:07:54: Von Crossref konnten keine zitierten Daten für 10.22331 / q-2024-02-29-1274 abgerufen werden. Dies ist normal, wenn der DOI kürzlich registriert wurde.

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