論文の概要: Tuning the Topological $\theta$-Angle in Cold-Atom Quantum Simulators of
Gauge Theories
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2204.06570v2
- Date: Fri, 15 Apr 2022 12:14:37 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-02-17 02:36:22.117545
- Title: Tuning the Topological $\theta$-Angle in Cold-Atom Quantum Simulators of
Gauge Theories
- Title（参考訳）: ゲージ理論の冷原子量子シミュレータにおけるトポロジカル$\theta$-アングルのチューニング
- Authors: Jad C. Halimeh, Ian P. McCulloch, Bing Yang, Philipp Hauke
- Abstract要約: チューニング可能な位相$theta$-termがゲージ対称性を持つプロトタイプ理論にどのように追加できるかを示す。
このモデルは、3つの異なる空間周期を持つ光学超格子において、単一種であるBose--Hubbardモデルで実験的に実現できる。
この研究は、大規模冷原子量子シミュレータにおけるトポロジカルゲージ理論用語のリッチ物理の研究への扉を開く。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.4075669047370125
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The topological $\theta$-angle in gauge theories engenders a series of
fundamental phenomena, including violations of charge-parity (CP) symmetry,
dynamical topological transitions, and confinement--deconfinement transitions.
At the same time, it poses major challenges for theoretical studies, as it
implies a sign problem in numerical simulations. Analog quantum simulators open
the promising prospect of treating quantum many-body systems with such
topological terms, but, contrary to their digital counterparts, they have not
yet demonstrated the capacity to control the $\theta$-angle. Here, we
demonstrate how a tunable topological $\theta$-term can be added to a prototype
theory with $\mathrm{U}(1)$ gauge symmetry, a discretized version of quantum
electrodynamics in one spatial dimension. As we show, the model can be realized
experimentally in a single-species Bose--Hubbard model in an optical
superlattice with three different spatial periods, thus requiring only standard
experimental resources. Through numerical calculations obtained from the
time-dependent density matrix renormalization group method and exact
diagonalization, we benchmark the model system, and illustrate how salient
effects due to the $\theta$-term can be observed. These include charge
confinement, the weakening of quantum many-body scarring, as well as the
disappearance of Coleman's phase transition due to explicit breaking of CP
symmetry. This work opens the door towards studying the rich physics of
topological gauge-theory terms in large-scale cold-atom quantum simulators.
- Abstract（参考訳）: ゲージ理論における位相的$\theta$-angleはチャージパリティ(cp)対称性の破れ、動的トポロジー遷移、閉じ込め脱共役遷移を含む一連の基本的な現象を包含する。
同時に、数値シミュレーションにおける符号問題を意味するため、理論的研究において大きな課題となる。
アナログ量子シミュレータは、そのようなトポロジカルな用語で量子多体系を扱う有望な可能性を開くが、デジタルシステムとは対照的に、彼らはまだ$\theta$-angleを制御する能力を見せていない。
ここでは、可変トポロジカル $\theta$-term が、ある空間次元における量子電磁力学の離散バージョンである $\mathrm{U}(1)$ gauge symmetric を持つプロトタイプ理論にどのように追加できるかを示す。
このモデルは、3つの異なる空間周期を持つ光学超格子において単一種bose-hubbardモデルにおいて実験的に実現できるため、標準実験資源のみを必要とする。
時間依存密度行列再正規化群法と厳密対角化法から得られた数値計算により,モデル系をベンチマークし,$\theta$-term によるサルエント効果が観測できることを示す。
これには電荷閉じ込め、量子多体スカーリングの弱化、cp対称性の明示的な破断によるコールマンの相転移の消失などが含まれる。
この研究は、大規模冷原子量子シミュレータにおけるトポロジカルゲージ理論のリッチ物理の研究への扉を開く。
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