2023 Fiscal Year Final Research Report

Locality and delocalization of information in thermalization of isolated quantum systems -towards an experimental approach using ultracold atoms-

Research Project

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Project/Area Number	20H01838
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
Research Institution	Osaka University (2022-2023) Kyoto University (2020-2021)
Principal Investigator	Nakajima Shuta 大阪大学, 量子情報・量子生命研究センター, 准教授 (70625160)
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)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords	冷却原子 / 光格子 / 孤立量子系 / 量子情報 / 熱化
Outline of Final Research Achievements	In this research project, we aimed to clarify the physics of propagation and delocalization of quantum information in quantum many-body systems by investigating the thermalization and relaxation processes of cold atomic systems from both 1) experimental and 2) theoretical perspectives. For 1) we constructed an ultracold atomic gas of lithium in an optical lattice with high controllability, aiming to measure the out-of-time-ordered correlator (OTOC), which has been proposed as a measure of the delocalization of quantum information in quantum systems. For 2) we performed the analysis of thermalization and entanglement propagation in quantum many-body systems and the development of a new method to estimate the fidelity of a quantum many-body system to clarify theoretically the physics of propagation and delocalization of quantum information in quantum many-body systems.
Free Research Field	冷却原子実験
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	量子情報の非局所化とその伝搬速度の上限の存在を定量的に理解することは、ブラックホール情報喪失問題や孤立量子系における熱化を理解する上で重要となる。また量子情報の非局在化の指標として提案されているOTOCは、これまでイオントラップや超伝導量子ビットなどのごく限られた系でのみ測定されており、非常に良い孤立量子系かつ運動自由度も持つ光格子中の冷却原子系でOTOCを測定できれば学術的な意義は大きい。また光格子中の冷却原子系はアナログ量子シミュレータとしても注目されているが、OTOCを測定しうるほど制御性を高めることができれば、この系を量子コンピュータのベンチマーキングとして使用することも可能となる。