MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798384424048
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31485176
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530.1
■1001  ▼aDe,  Arinjoy.▼0(orcid)0000-0001-9184-8434
■24510▼aExploring  Quantum  Many-Body  Systems  in  Programmable  Trapped  Ion  Quantum  Simulators
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Maryland,  College  Park▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a195  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-03,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Monroe,  Christopher  R.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Maryland,  College  Park,  2024.
■520    ▼aQuantum  simulation  is  perhaps  the  most  natural  application  of  a  quantum  computer,  where  a  precisely  controllable  quantum  system  is  designed  to  emulate  a  more  complex  or  less  accessible  quantum  system.  Significant  research  efforts  over  the  last  decade  have  advanced  quantum  technology  to  the  point  where  it  is  foreseeable  to  achieve  `quantum  advantage'  over  classical  computers,  to  enable  the  exploration  of  complex  phenomena  in  condensed-matter  physics,  high-energy  physics,  atomic  physics,  quantum  chemistry,  and  cosmology.  While  the  realization  of  a  universal  fault-tolerant  quantum  computer  remains  a  future  goal,  analog  quantum  simulators  --  featuring  continuous  unitary  evolution  of  many-body  Hamiltonians  --  have  been  developed  across  several  experimental  platforms.  A  key  challenge  in  this  field  is  balancing  the  control  of  these  systems  with  the  need  to  scale  them  up  to  address  more  complex  problems.  Trapped-ion  platforms,  with  exceptionally  high  levels  of  control  enabled  by  laser-cooled  and  electromagnetically  confined  ions,  and  all-to-all  entangling  capabilities  through  precise  control  over  their  collective  motional  modes,  have  emerged  as  a  strong  candidate  for  quantum  simulation  and  provide  a  promising  avenue  for  scaling  up  the  systems.In  this  dissertation,  I  present  my  research  work,  emphasizing  both  the  scalability  and  controllability  aspects  of  171Yb+  based  trapped-ion  platforms,  with  an  underlying  theme  of  analog  quantum  simulation.  The  initial  part  of  my  research  involves  utilizing  a  trapped  ion  apparatus  operating  within  a  cryogenic  vacuum  environment,  suitable  for  scaling  up  to  hundreds  of  ions.  We  address  various  challenges  associated  with  this  approach,  particularly  the  impact  of  mechanical  vibrations  originating  from  the  cryostat,  which  can  induce  phase  errors  during  coherent  operations.  Subsequently,  we  detail  the  implementation  of  a  scheme  to  generate  phase-stable  spin-spin  interactions  that  are  robust  to  vibration  noise.In  the  second  part,  we  use  a  trapped-ion  quantum  simulator  operating  at  room  temperature,  to  investigate  the  non-equilibrium  dynamics  of  critical  fluctuations  following  a  quantum  quench  to  the  critical  point.  Employing  systems  with  up  to  50  spins,  we  show  that  the  amplitude  and  timescale  of  post-quench  fluctuations  scale  with  system  size,  exhibiting  distinct  universal  critical  exponents.  While  a  generic  quench  can  lead  to  thermal  critical  behavior,  a  second  quench  from  one  critical  state  to  another  (i.e.,  double  quench)  results  in  unique  critical  behavior  not  seen  in  equilibrium.  Our  results  highlight  the  potential  of  quantum  simulators  to  explore  universal  scaling  beyond  the  equilibrium  paradigm.In  the  final  part  of  the  thesis,  we  investigate  an  analog  of  the  paradigmatic  string-breaking  phenomena  using  a  quantum  spin  simulator.  We  employ  an  integrated  trapped-ion  apparatus  with  $13$  spins  that  utilizes  the  individual  controllability  of  laser  beams  to  program  a  uniform  spin-spin  interaction  profile  across  the  chain,  alongside  3-dimensional  control  of  the  local  magnetic  fields.  We  introduce  two  static  probe  charges,  realized  through  local  longitudinal  magnetic  fields,  that  create  string  tension.  By  implementing  quantum  quenches  across  the  string-breaking  point,  we  monitor  non-equilibrium  charge  evolution  with  spatio-temporal  resolution  that  elucidates  the  dynamical  string  breaking.  Furthermore,  by  initializing  the  charges  away  from  the  string  boundary,  we  generate  isolated  charges  and  observe  localization  effects  that  arise  from  the  interplay  between  confinement  and  lattice  effects.
■590    ▼aSchool  code:  0117.
■650  4▼aQuantum  physics
■650  4▼aAtomic  physics
■650  4▼aCondensed  matter  physics
■650  4▼aNuclear  physics
■653    ▼aLattice  gauge  theory
■653    ▼aMany-body  physics
■653    ▼aNon-equilibrium  dynamics
■653    ▼aQuantum  computing
■653    ▼aQuantum  simulation
■653    ▼aTrapped-ions
■690    ▼a0599
■690    ▼a0748
■690    ▼a0611
■690    ▼a0756
■71020▼aUniversity  of  Maryland,  College  Park▼bPhysics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-03B.
■790    ▼a0117
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17163225▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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