LEAPS-MPS: Dynamics of Quantum Information in Strongly Interacting Many-Body Systems

LEAPS-MPS:强相互作用多体系统中的量子信息动力学

基本信息

  • 批准号:
    2317030
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 18.88万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Understanding how quantum information propagates across many interacting components and how to control it to make improved quantum devices is an important challenge. Systems with a collection of quantum particles can provide powerful resources for efficient computation and enable properties distinct from individual components. However, such quantum mechanical effects are usually fragile to system imperfections and environmental perturbations and are challenging to harness. This research aims to address the challenge through developing new protocols to understand the dynamical process in systems relevant to present quantum platforms and uncover new types of many-body phenomena robust to these environmental effects, leveraging recent advances in atomic physics and quantum information science. Alongside these research goals, this project will implement a diverse set of education and outreach activities to train and recruit graduate, undergraduate, and high school students, increasing their literacy in quantum science and preparing them as the next generation workforce in science and technology. The past decades have witnessed remarkable progress in building controllable quantum platforms, such as those using cold atoms and ions. These platforms open exciting opportunities to examine complex quantum systems beyond equilibrium, where the dynamics of entanglement and correlations remain largely poorly understood. This project seeks to address fundamental questions regarding the dynamics of quantum information in many-body systems and to explore new classes of dynamical behaviors. To this end, this research project will include two intercorrelated thrusts. The first thrust will investigate the growth of quantum correlations in spin ensembles described by nonintegrable lattice Hamiltonians relevant to cold-atom platforms. This part of study will quantitatively analyze the unitary many-body dynamics in various geometries and target practical procedures that can be realized in current experiments using cold atoms. The second thrust will focus on systems subject to environmental effects, through investigating quantum circuits with nonunitary measurement operations. This part of the study will employ a combination of analytical tools and state-of-the-art numerical calculations to characterize the different dynamical phases and entanglement structures generated. These research directions can further provide guidance for efficiently steering many-body systems into quantum correlated states against noises. This project is jointly funded by the Physics Division and the Established Program to Stimulate Competitive Research (EPSCoR).This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
了解量子信息如何在许多相互作用的组件之间传播,以及如何控制它以制造改进的量子设备是一个重要的挑战。具有量子粒子集合的系统可以为高效计算提供强大的资源,并使其具有不同于单个组件的特性。然而,这样的量子力学效应通常对系统缺陷和环境扰动是脆弱的,并且具有挑战性。这项研究旨在通过开发新的协议来解决这一挑战,以了解与当前量子平台相关的系统中的动力学过程,并利用原子物理学和量子信息科学的最新进展,发现对这些环境影响具有鲁棒性的新型多体现象。除了这些研究目标,该项目还将实施一系列多样化的教育和推广活动,以培训和招募研究生、本科生和高中生,提高他们在量子科学方面的素养,并为他们成为下一代科学技术劳动力做好准备。 在过去的几十年里,在构建可控量子平台方面取得了显着进展,例如使用冷原子和离子的平台。这些平台为研究超越平衡的复杂量子系统提供了令人兴奋的机会,其中纠缠和相关性的动力学在很大程度上仍然知之甚少。该项目旨在解决多体系统中量子信息动力学的基本问题,并探索新的动力学行为。为此,该研究项目将包括两个相互关联的推力。第一个推力将研究自旋系综中量子关联的增长,自旋系综由与冷原子平台相关的不可积晶格哈密顿量描述。这部分的研究将定量分析在各种几何和目标的实际程序,可以实现在当前的实验中使用冷原子的幺正多体动力学。第二个重点将集中在受环境影响的系统,通过研究量子电路与非幺正测量操作。研究的这一部分将采用分析工具和最先进的数值计算相结合,以表征所产生的不同动力学相和纠缠结构。这些研究方向可以进一步为有效地控制多体系统进入量子关联态提供指导。 该项目由物理部和激励竞争性研究的既定计划(EPSCoR)共同资助。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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