論文の概要: Physical Emulation of Nonlinear Spin System Hamiltonians via Closed Loop Feedforward Control of a Collective Atomic Spin

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.22132v1
• Date: Tue, 29 Jul 2025 18:03:36 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-31 16:14:17.793275
• Title: Physical Emulation of Nonlinear Spin System Hamiltonians via Closed Loop Feedforward Control of a Collective Atomic Spin
• Title（参考訳）: 原子スピンの閉ループフィードフォワード制御による非線形スピン系のハミルトニアンの物理シミュレーション
• Authors: Ian Pannemarsh,
• Abstract要約: 冷中性原子のアンサンブルの集合磁気モーメントの閉ループ制御を利用する手法を実証する。 本システムでは, 期待パラメータ状態において, 対称性を破る位相遷移を行う。 後者では、カオスの形成と動的に駆動される時間結晶相という、2つの興味深い側面を探求する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
• Abstract: In recent decades the field of quantum computation has seen remarkable development. While much progress has been made toward the realization of a fully digital, scalable, and fault tolerant quantum computer, there are still many essential challenges to overcome. In the interim, direct emulation of quantum systems of interest can fill an important gap not only for exploring fundamental questions about many-body physics and the quantum to classical transition, but also for potentially providing alternative methods to verify results from quantum simulations. In this work we will demonstrate a method utilizing closed loop control of the collective magnetic moment of an ensemble of cold neutral atoms via non-destructive measurements to emulate various spin system Hamiltonians. By modifying the feedback control law appropriately we are able to generate nonlinear dynamical behavior in the ensemble, allowing us to explore the physics of collective spin systems at mesoscopic scales. Moreover, controlling the number of atoms in the collective spin can potentially allow us to investigate these dynamics in the transition from fully quantum to the classical limit. In particular, we emulate two models: the Lipkin-Meshkov-Glick (LMG) Hamiltonian, and a closely related model, the Kicked Top. In the former case, we show that our system undergoes a symmetry-breaking phase transition in the expected parameter regime. In the latter, we explore two interesting aspects: the formation of chaos, and a dynamically driven time crystal phase. We will then discuss the advantages and limits of this approach.
• Abstract（参考訳）: 近年、量子計算の分野は目覚ましい発展を遂げてきた。 完全にデジタルでスケーラブルでフォールトトレラントな量子コンピュータの実現に向けて、多くの進歩がなされてきたが、克服すべき重要な課題がまだたくさんある。 暫定的に、興味のある量子系の直接的なエミュレーションは、多体物理学や量子から古典への移行に関する基本的な問題を探究するだけでなく、量子シミュレーションの結果を検証するための代替手段を提供するためにも重要なギャップを埋めることができる。 本研究は, 種々のスピン系ハミルトニアンをエミュレートする非破壊測定により, 冷中性原子のアンサンブルの集合磁気モーメントの閉ループ制御を利用する方法を示す。 フィードバック制御法則を適切に修正することにより、アンサンブル内の非線形力学挙動を生成でき、メソスコピックスケールでの集合スピン系の物理を探索することができる。 さらに、集合スピン中の原子数を制御することで、完全量子から古典的極限への遷移におけるこれらのダイナミクスを研究できる可能性がある。 特に、Lipkin-Meshkov-Glick (LMG) Hamiltonian と近縁なモデル Kicked Top の2つのモデルをエミュレートする。 前者の場合,本システムでは,期待パラメータ状態において,対称性を破る位相遷移を行う。 後者では、カオスの形成と動的に駆動される時間結晶相という、2つの興味深い側面を探求する。 次に、このアプローチの利点と限界について論じます。

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