論文の概要: Observation of hierarchy of Hilbert space ergodicities in the quantum dynamics of a single spin

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.05706v1
• Date: Tue, 08 Jul 2025 06:31:22 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-09 16:34:37.64369
• Title: Observation of hierarchy of Hilbert space ergodicities in the quantum dynamics of a single spin
• Title（参考訳）: 単一スピンの量子力学におけるヒルベルト空間エルゴディディティの階層性の観測
• Authors: Wenquan Liu, Zouwei Pan, Yue Fu, Wei Cheng, Wen Wei Ho, Xing Rong, Jiangfeng Du,
• Abstract要約: 単一量子スピンの力学において達成可能なヒルベルト空間エルゴディディティの階層構造を実験的に検討する。 我々の研究は、ヒルベルト空間エルゴード性の最初の明白な実験的証拠を構成する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 9.513348689330103
• License: http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
• Abstract: Ergodicity, the property that all allowed configurations are explored over time, plays a pivotal role in explaining the equilibrium behavior of classical dynamical systems. Yet, such a property is typically precluded in quantum systems owing to the presence of energy eigenstates, which are stationary states in dynamics. However, recent theoretical works have argued that ergodic explorations of the Hilbert space, occurring at varying levels as measured by statistical pseudorandomness of the time-evolved quantum states, may be exhibited for quantum systems driven by Hamiltonians with aperiodic time dependencies, which do not face such obstacles. Here, we experimentally investigate the hierarchy of Hilbert-space ergodicities (HSE) achievable in the dynamics of a single quantum spin realized by a solid-state defect in diamond, upon subjecting it to various time-dependent modulations. Through continuous monitoring of spin trajectories with full state tomography, different degrees of HSE were observed, ranging from no HSE in a time-periodic (Floquet) drive, to partial HSE in a smoothly kicked time-quasiperiodic drive, to complete HSE in a drive composed of a sequence of kicks generated by the Fibonacci word. We formulate a theoretical understanding of the increasing levels of HSE observed by attributing them to increasing levels of complexities associated with the drive sequences, whose notions we elucidate. Our work constitutes the first unambiguous experimental evidence of Hilbert space ergodicity and promotes deeper investigations into the mechanisms and fine-grained levels with which closed quantum systems reach equilibrium.
• Abstract（参考訳）: エルゴディディディティ(エルゴディディティ、Ergodicity)は、古典力学系の平衡挙動を説明する上で重要な役割を担っている。 しかし、そのような性質は典型的には、エネルギー固有状態の存在によって量子系に隠蔽され、これは力学における定常状態である。 しかし、近年の理論的研究は、時間進化した量子状態の統計的擬似ランダム性によって測定される様々なレベルでヒルベルト空間のエルゴード的な探索は、周期的時間依存を持つハミルトニアヌスによって駆動される量子系に対して、そのような障害に直面することはない、と論じている。 ここでは,ダイヤモンドの固体欠陥によって実現される単一量子スピンの力学において達成可能なヒルベルト空間エルゴディディティ(HSE)の階層構造を,様々な時間依存性の変調により実験的に検討する。 フルステートトモグラフィーによるスピン軌跡の連続モニタリングにより, 時間周期駆動のHSEのないものから, 滑らかに蹴られた時間準周期駆動のHSEの部分的なHSEまで, フィボナッチ語で生成した一連のキックからなるドライブでのHSEの完了まで, 様々なHSEの程度が観察された。 我々は,HSEの高次値の増大を,ドライブ列に関連する複雑さの増大に起因させる理論的理解を定式化し,その概念を解明する。 我々の研究は、ヒルベルト空間エルゴード性に関する最初の明白な実験的証拠を構成し、閉量子系が平衡に達するメカニズムときめ細かいレベルについてより深い研究を促進する。

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