2020 Fiscal Year Annual Research Report
Locality and delocalization of information in thermalization of isolated quantum systems -towards an experimental approach using ultracold atoms-
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20H01838
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中島 秀太 京都大学, 白眉センター, 特定准教授 (70625160)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉井 涼輔 山陽小野田市立山口東京理科大学, 共通教育センター, 講師 (30632517)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 冷却原子 / 光格子 / 孤立量子系 / 量子情報 / 熱化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、量子多体系における情報の非局所化と情報伝搬の局所性について、非常に良い孤立量子系である冷却原子系の熱化・緩和過程を主たる研究対象として、実験と理論の双方からその学理を明らかにすることを目的としている。
当該年度において研究代表者(実験担当)は、研究の舞台となる光格子系中の冷却リチウム(Li)原子系の構築のため、Li原子気体の量子縮退領域までの冷却を目標に、Li原子の3次元磁気光学トラップ(3D-MOT)の構築を進めた。6Li原子の磁場フェッシュバッハ共鳴近傍までの強磁場を生成可能な大電流水冷コイル系を構築、これを反ヘルムホルツ配置に切り替えて四重極磁場を生成し、超高真空ガラスセル中で6Li原子の3D-MOTを実現した。また3D-MOTの原子数および温度の評価・最適化のためのLi原子の吸収イメージング撮像に向けてsCMOSカメラを導入した。
また、研究分担者(理論担当)は、所属機関の異動に伴う数値計算環境の再構築後、冷却原子系での実現を念頭においた量子情報の伝搬に関する解析を進めた。並行して、非時間順序相関関数(OTOC)やロシュミットエコーなどの時間反転を用いた実験のベンチマークとなる物理量に対する実験と理論との比較の準備をした。特に、イジングスピン系における量子情報の伝播速度と熱化に関する研究を進め論文を投稿した（arXiv:2003.10106）。また関連研究として、光格子中のスピン1ボソン原子系のpolar状態の不安定性について研究した(arXiv:2012.02501)。また、非一様な凝縮体の存在下におけるエンタングルメント伝播の研究に先立って、AdS/CFTによる非一様な解の構成について研究した(arXiv:2012.10862)。これらの研究を基礎に、時間反転によるエンタングル構造および崩壊した秩序の回復などについての研究の準備を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究実績の概要で述べたように、当該年度において研究代表者(実験担当)は極低温Li原子系を構築することを目標として研究を遂行した。しかし前年度末からのCOVID-19の感染拡大により、所属部局において夏頃まで実験室への入室人数制限や新規実験の一時延期などの対応が採られ、当該年度前半は実験室での実験があまり出来なかった。そのため実験の研究計画が全体的に後ろ倒しになり、特にLi原子の吸収イメージングを撮像するためのsCMOSカメラの選定・導入については、撮像の対象となる3次元磁気光学トラップで冷却・捕獲された冷却Li原子集団の実現が遅れたため、予算を繰り越して遂行することとなった。
また、研究分担者(理論担当)は、所属機関の異動に伴い、研究環境の構築と、COVID-19対策のための学内授業オンライン化への対応により、当初の予定よりも研究に時間を割くことが困難であった。またCOVID-19の感染拡大により、参加を検討していた研究会が中止されたことで、情報収集の機会が減少した。一方、スピン系におけるエンタングルメント伝播の研究、光格子中のボソンのダイナミクス、非一様な凝縮体の存在下におけるエンタングルメント伝播の研究に向けたAdS/CFT対応による非一様解の構成については、計画通りに進み、それぞれに関して1本ずつの論文投稿まで行なえた（arXiv:2003.10106, 2012.02501, 2012.10862）。これら実験と理論の進捗を合わせて考えると、全体の進捗としては、COVID-19の感染拡大の影響を受けて、やや遅れていると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策として、研究代表者(実験担当)は、計画通り引き続き、相互作用可変な極低温リチウム(Li)原子系および光格子系の構築を進めていく。2021年3月末時点で、6Li原子の3次元磁気光学トラップ（3D-MOT）まで実現しており、Li原子の量子縮退状態を実現するための光トラップ中での蒸発冷却を目指し、光トラップ移行のために3D-MOTの評価と最適化を進める。また現状の3D-MOT では将来的な実験に必要な原子数を準備するのが困難な可能性もあるため、光トラップへの移行の前に、3D-MOT系について増強することも検討する。また研究の遂行を早めるために、一部の制御系回路の作成などは外注することも検討する。
研究分担者(理論担当)は、エンタングルメント伝播の詳細な研究に向けて、スピン系でのエンタングルメント伝播の研究を光格子中の原子系へ拡張する。光格子系でのボース系の解析手法はすでに確立しており、現在、孤立量子系でのエンタングルメントのダイナミクスに関する解析を進めている。この研究は当該年度に論文としてまとめたスピン1ボース系の場合にも拡張可能である。また、当該年度、非一様な凝縮が背景として存在する際のエンタングルメント伝播について調べるために、AdS/CFT対応における非一様な背景解の構成を行ったが、今後はこの解を足掛かりとして、クエンチダイナミクスを調べ、エンタングルメントの伝播について調べる。これらに関して、時間反転のダイナミクスについて実験と比較可能な形で解析を行うことを目標とする。また年度内に投稿した3本の論文（arXiv:2003.10106, 2012.02501, 2012.10862）について、早期の受理を目指す。
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