論文の概要: Quantum simulation of bubble nucleation across a quantum phase transition
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.09607v1
- Date: Wed, 14 May 2025 17:57:25 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-05-15 21:44:09.557808
- Title: Quantum simulation of bubble nucleation across a quantum phase transition
- Title（参考訳）: 量子相転移における気泡核生成の量子シミュレーション
- Authors: De Luo, Federica Maria Surace, Arinjoy De, Alessio Lerose, Elizabeth R. Bennewitz, Brayden Ware, Alexander Schuckert, Zohreh Davoudi, Alexey V. Gorshkov, Or Katz, Christopher Monroe,
- Abstract要約: 我々は、量子揺らぎによって誘導される「気泡核」のリアルタイムダイナミクスを観測するために、閉じ込められたイオン量子シミュレータを用いる。
結果は、量子シミュレーターが平衡外多体物理学を探索する力を示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 31.874825130479174
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The liquid-vapor transition is a classic example of a discontinuous (first-order) phase transition. Such transitions underlie many phenomena in cosmology, nuclear and particle physics, and condensed-matter physics. They give rise to long-lived metastable states, whose decay can be driven by either thermal or quantum fluctuations. Yet, direct experimental observations of how these states collapse into a stable phase remain elusive in the quantum regime. Here, we use a trapped-ion quantum simulator to observe the real-time dynamics of ``bubble nucleation'' induced by quantum fluctuations. Bubbles are localized domains of the stable phase which spontaneously form, or nucleate, and expand as the system is driven across a discontinuous quantum phase transition. Implementing a mixed-field Ising spin model with tunable and time-dependent interactions, we track the microscopic evolution of the metastable state as the Hamiltonian parameters are varied in time with various speeds, bringing the system out of equilibrium. Site-resolved measurements reveal the emergence and evolution of finite-size quantum bubbles, providing direct insight into the mechanism by which the metastable phase decays. We also identify nonequilibrium scaling behavior near the transition, consistent with a generalized Kibble-Zurek mechanism. Our results demonstrate the power of quantum simulators to probe out-of-equilibrium many-body physics, including quantum bubble nucleation, a key feature of discontinuous quantum phase transitions, with application to studies of matter formation in the early universe.
- Abstract（参考訳）: 液体-蒸気遷移は、不連続(一階)相転移の古典的な例である。
このような遷移は、宇宙論、核物理学、粒子物理学、凝縮物質物理学に多くの現象をもたらす。
長寿命の準安定状態が生まれ、その崩壊は熱的あるいは量子的変動によって引き起こされる。
しかし、これらの状態が安定な状態にどのように崩壊するかに関する直接の実験的な観察は、量子状態の中でもなお明らかである。
ここでは、量子揺らぎによって誘導される「気泡核化」のリアルタイムダイナミクスを観測するために、トラップイオン量子シミュレータを用いる。
気泡は安定相の局在領域であり、不連続な量子相転移によってシステムが駆動されるにつれて自然に形成され、核化され、膨張する。
調整可能で時間依存的な相互作用を持つ混合場イジングスピンモデルを実装することで、ハミルトンパラメータが様々な速度で時間とともに変化するため、準安定状態の微視的進化を追跡し、系を平衡状態から外す。
サイト分解測定により、有限サイズの量子バブルの出現と進化が明らかとなり、準安定相が崩壊するメカニズムの直接的な洞察を与える。
また、遷移に近い非平衡スケーリング挙動を、一般化されたキブル・ズレーク機構と整合性で同定する。
本研究は,不連続な量子相転移の鍵となる量子バブル核化を含む,平衡外多体物理学を探索する量子シミュレータのパワーと,初期宇宙における物質形成の研究への応用を実証するものである。
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