論文の概要: Quantum simulation of the Dicke model in a two-dimensional ion crystal: chaos, quantum thermalization, and revivals
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.06114v1
- Date: Thu, 05 Feb 2026 19:00:01 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-02-09 22:18:26.060818
- Title: Quantum simulation of the Dicke model in a two-dimensional ion crystal: chaos, quantum thermalization, and revivals
- Title（参考訳）: 二次元イオン結晶におけるディックモデルの量子シミュレーション:カオス、量子熱化、再生
- Authors: Bryce Bullock, Sean R. Muleady, Jennifer F. Lilieholm, Yicheng Zhang, Robert J. Lewis-Swan, John J. Bollinger, Ana Maria Rey, Allison L. Carter,
- Abstract要約: 我々は、100個の閉じ込められたイオンからなる2次元結晶において、Dickeモデル(光-物質相互作用の基本的な記述)を実現する。
この結果は、非平衡光-マターダイナミクスのスケーラブルなアナログ量子シミュレータとして大きなイオン結晶を確立した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.699606229706245
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Quantum many-body systems driven far from equilibrium can exhibit chaos, entanglement, and non-classical correlations, yet directly observing these phenomena in large, closed quantum systems remains challenging. Here we realize the Dicke model -- a fundamental description of light-matter interactions -- in a two-dimensional crystal of approximately 100 trapped ions. The ions' internal state is optically coupled to the center of mass vibrational mode via an optical spin-dependent force, enabling unitary many-body dynamics beyond the mean-field and few-body limits. In the integrable regime, where the phonons can be adiabatically eliminated, we observe a dynamical phase transition between ferromagnetic to paramagnetic spin phases. In contrast, when the spins and phonons are strongly coupled, we observe clear signatures of non-integrable chaotic dynamics, including erratic phase-space trajectories and the exponential growth of excitations and entanglement quantified by the one-body Rényi entropy. By quenching from an unstable fixed point in the near-integrable regime, quantum noise can generate correlated spin-phonon excitations. Our numerical calculations, in clear agreement with experiment, reveal the generation of two-mode spin-phonon squeezing, 2.6 dB below the standard quantum limit (4.6 dB relative to the initial thermal state), followed by generalized vacuum Rabi collapses and revivals. Our results establish large ion crystals as scalable analog quantum simulators of non-equilibrium light-matter dynamics and provide a controlled platform for experimental studies of information scrambling and entanglement in closed many-body systems.
- Abstract（参考訳）: 平衡から遠ざかる量子多体系はカオス、絡み合い、非古典的相関を示すことができるが、これらの現象を大規模で閉じた量子系で直接観察することは困難である。
ここでは、約100個の閉じ込められたイオンからなる2次元結晶において、Dickeモデル(光-物質相互作用の基本的な記述)を実現する。
イオンの内部状態は、光スピン依存力によって質量振動モードの中心に光的に結合され、平均場と少数体の限界を超えた一意多体ダイナミクスが実現される。
フォノンを断熱的に除去できる可積分状態において、強磁性-常磁性スピン相間の動的相転移を観察する。
対照的に、スピンとフォノンが強く結合されているとき、不安定な位相空間軌道や1体のレニイエントロピーで定量化された励起と絡み合いの指数的成長を含む、非可積分カオス力学の明確なシグネチャを観察する。
近可積分状態の不安定な固定点からクエンチすることで、量子ノイズは相関したスピンフォノン励起を生成することができる。
我々の数値計算は、実験と明確に一致して、2モードのスピンフォノンスクイーズ、2.6dBの標準量子限界(初期熱状態に対して4.6dB)以下で発生し、続いて一般化された真空ラビ崩壊とリバイバルが生じることを示した。
本結果は,非平衡光物質力学のスケーラブルなアナログ量子シミュレータとして大きなイオン結晶を確立し,閉多体系における情報スクランブルと絡み合いを実験的に研究するための制御プラットフォームを提供する。
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