論文の概要: Observation of gauge invariance in a 71-site Bose-Hubbard quantum
simulator
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2003.08945v2
- Date: Sun, 30 Aug 2020 14:33:19 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-05-28 17:39:36.747933
- Title: Observation of gauge invariance in a 71-site Bose-Hubbard quantum
simulator
- Title（参考訳）: 71サイトBose-Hubbard量子シミュレータにおけるゲージ不変性の観測
- Authors: Bing Yang, Hui Sun, Robert Ott, Han-Yi Wang, Torsten V. Zache, Jad C.
Halimeh, Zhen-Sheng Yuan, Philipp Hauke, and Jian-Wei Pan
- Abstract要約: ゲージ理論は局所対称性の制約によって物理学の基本法則を実装している。
量子電磁力学において、ガウスの法則は荷電物質と電磁場の間に固有の局所的関係を導入する。
微細加工された量子デバイスにおけるゲージ理論のダイナミクスをシミュレートする。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.5847872095969375
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The modern description of elementary particles, as formulated in the Standard
Model of particle physics, is built on gauge theories. Gauge theories implement
fundamental laws of physics by local symmetry constraints. For example, in
quantum electrodynamics, Gauss's law introduces an intrinsic local relation
between charged matter and electromagnetic fields, which protects many salient
physical properties including massless photons and a long-ranged Coulomb law.
Solving gauge theories by classical computers is an extremely arduous task,
which has stimulated a vigorous effort to simulate gauge-theory dynamics in
microscopically engineered quantum devices. Previous achievements implemented
density-dependent Peierls phases without defining a local symmetry, realized
mappings onto effective models to integrate out either matter or electric
fields, or were limited to very small systems. The essential gauge symmetry has
not been observed experimentally. Here, we report the quantum simulation of an
extended U(1) lattice gauge theory, and experimentally quantify the gauge
invariance in a many-body system comprising matter and gauge fields. These are
realized in defect-free arrays of bosonic atoms in an optical superlattice of
71 sites. We demonstrate full tunability of the model parameters and benchmark
the matter--gauge interactions by sweeping across a quantum phase transition.
Enabled by high-fidelity manipulation techniques, we measure the degree to
which Gauss's law is violated by extracting probabilities of locally
gauge-invariant states from correlated atom occupations. Our work provides a
way to explore gauge symmetry in the interplay of fundamental particles using
controllable large-scale quantum simulators.
- Abstract（参考訳）: 素粒子の現代的な記述は、素粒子物理学の標準モデルで定式化され、ゲージ理論に基づいている。
ゲージ理論は局所対称性の制約によって物理学の基本法則を実装する。
例えば、量子電磁力学において、ガウスの法則は荷電物質と電磁場の間の固有の局所関係を導入し、質量を持たない光子や長距離クーロン法則を含む多くの静電物性を保護する。
古典的コンピュータによるゲージ理論の解法は非常に困難な作業であり、顕微鏡工学による量子デバイスにおけるゲージ理論のダイナミクスをシミュレートする活発な努力を刺激した。
それまでの成果は、局所対称性を定義することなく密度依存的なピエルス相を実装し、物質または電場を統合する効果的なモデルへの写像を実現した。
本質的なゲージ対称性は実験的に観測されていない。
本稿では、拡張U(1)格子ゲージ理論の量子シミュレーションを報告し、物質とゲージ場からなる多体系のゲージ不変性を実験的に定量化する。
これらは71箇所の光学超格子におけるボゾン原子の欠陥のない配列で実現される。
モデルパラメータの完全なチューナビリティを実証し、量子相転移をスイープすることで物質-ゲージ相互作用のベンチマークを行う。
高忠実度操作技術により、相関原子の占有から局所ゲージ不変状態の確率を抽出することにより、ガウスの法則が違反する程度を測定する。
本研究は、制御可能な大規模量子シミュレータを用いて、基本粒子の相互作用におけるゲージ対称性を探索する方法を提供する。
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