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,并实现不同于单个组件的属性。然而,这种量子力学效应通常容易受到系统缺陷和环境扰动的影响,并且难以驾驭。这项研究旨在通过开发新协议来应对这一挑战,以了解与当前量子平台相关的系统的动态过程,并利用原子物理学和量子信息科学的最新进展,揭示对这些环境影响具有鲁棒性的新型多体现象。除了这些研究目标之外,该项目还将实施一系列多样化的教育和外展活动,以培训和招收研究生、本科生和高中生,提高他们的量子科学素养,并为他们成为下一代科学技术劳动力做好准备。 过去几十年来,在构建可控量子平台(例如使用冷原子和离子的平台)方面取得了显着进展。这些平台为研究超出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。该项目旨在解决有关多体系统中量子信息动力学的基本问题,并探索新类别的动力学行为。为此,该研究项目将包括两个相互关联的主旨。第一个重点将研究与冷原子平台相关的不可积晶格哈密顿量描述的自旋系综中量子相关性的增长。这部分研究将定量分析各种几何形状的单一多体动力学,并针对当前使用冷原子的实验中可以实现的实际程序。第二个重点将通过研究具有非单一测量操作的量子电路来关注受环境影响的系统。这部分研究将结合分析工具和最先进的数值计算来表征不同的动力学相和所产生的纠缠结构。这些研究方向可以进一步为有效地将多体系统引导到抗噪声的量子相关态提供指导。 该项目由物理部门和刺激竞争性研究既定计划 (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智力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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  • 通讯作者:
    La

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