論文の概要: Observation of string-breaking dynamics in a quantum simulator

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2410.13815v1
• Date: Thu, 17 Oct 2024 17:46:07 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-18 13:17:51.228359
• Title: Observation of string-breaking dynamics in a quantum simulator
• Title（参考訳）: 量子シミュレータにおける弦破れ力学の観察
• Authors: Arinjoy De, Alessio Lerose, De Luo, Federica M. Surace, Alexander Schuckert, Elizabeth R. Bennewitz, Brayden Ware, William Morong, Kate S. Collins, Zohreh Davoudi, Alexey V. Gorshkov, Or Katz, Christopher Monroe,
• Abstract要約: 弦を破る力学は、高エネルギー粒子衝突や初期の宇宙の進化において重要な役割を果たす。 量子シミュレータは古典的な計算手法より優れていることが期待されている。 弦破りの力学をシミュレートするために必要な実験能力を初めて実験で実証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 30.432877421232842
• License:
• Abstract: Spontaneous particle-pair formation is a fundamental phenomenon in nature. It can, for example, appear when the potential energy between two particles increases with separation, as if they were connected by a tense string. Beyond a critical separation, new particle pairs can form, causing the string to break. String-breaking dynamics in quantum chromodynamics play a vital role in high-energy particle collisions and early universe evolution. Simulating string evolution and hadron formation is, therefore, a grand challenge in modern physics. Quantum simulators, well-suited for studying dynamics, are expected to outperform classical computing methods. However, the required experimental capabilities to simulate string-breaking dynamics have not yet been demonstrated, even for simpler models of the strong force. We experimentally probe, for the first time, the spatiotemporal dynamics of string-breaking in a (1+1)-dimensional $\mathbb{Z}_2$ lattice gauge theory using a fully programmable trapped-ion quantum simulator. We emulate external static charges and strings via site-dependent magnetic-field control enabled by a dual array of tightly focused laser beams targeting individual ions. First, we study how confinement affects isolated charges, finding that they freely spread without string tension but exhibit localized oscillations when tension is increased. Then, we observe and characterize string-breaking dynamics of a string stretched between two static charges after an abrupt increase in string tension. Charge pairs appear near the string edges and spread into the bulk, revealing a route to dynamical string-breaking distinct from the conventional Schwinger mechanism. Our work demonstrates that analog quantum simulators have achieved the necessary control to explore string-breaking dynamics, which may ultimately be relevant to nuclear and high-energy physics.
• Abstract（参考訳）: 自然の粒子対形成は自然の基本的な現象である。 例えば、2つの粒子間のポテンシャルエネルギーが、引張弦で繋がれているかのように分離して増加するときに現れる。 臨界分離の他に、新しい粒子対が形成され、弦が壊れる。 量子色力学における弦破れ力学は、高エネルギー粒子衝突と初期の宇宙進化において重要な役割を果たす。 弦の進化とハドロンの形成をシミュレートすることは、現代物理学における大きな挑戦である。 量子シミュレータは、力学の研究に適しており、古典的な計算手法より優れていることが期待されている。 しかし、弦破り力学をシミュレートするために必要な実験能力はまだ証明されていない。 我々は,(1+1)次元の$\mathbb{Z}_2$格子ゲージ理論における弦破れの時空間ダイナミクスを,完全にプログラム可能なトラップイオン量子シミュレータを用いて初めて実験的に検討した。 我々は、個々のイオンをターゲットとした2重集束レーザビームにより、サイト依存の磁場制御により外部の静電荷と弦をエミュレートする。 まず, 拘束が孤立電荷にどのように影響するかを調べたところ, 弦張力なしで自由に拡散するが, 緊張が増大すると局所的な振動が現れることがわかった。 そして, 弦張力の急激な増大後に2つの静電荷の間に張られた弦の弦破れ力学を観察し, 特徴付ける。 電荷対は弦の縁の近くに現れ、バルクに広がり、従来のシュウィンガー機構とは異なる動的弦の破れへの経路が明らかになる。 我々の研究は、アナログ量子シミュレータが弦破りの力学を探索するために必要な制御を達成できたことを実証している。

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