原子物理学：原子雲のアレイにおけるプログラム可能な相互作用と創発的な幾何学的構造

相互作用は、多体量子系の構成要素間の情報の流れと相関の形成を支配し、自然界に見られる物質相や実験室で生成されるエンタングルメントの形を決定する。典型的な相互作用は距離とともに減衰するため、物質の結晶構造や量子シミュレーターにおける原子のトラップサイトといった幾何学的構造に支配される、接続性ネットワークが形成される。しかし、量子シミュレーションや量子計算において想定される応用には、非局所相互作用などのより複雑な結合グラフが必要である。こうしたグラフは、ブラックホールにおける情報スクランブルのモデルや、古典的なフラストレート磁性体への計算困難な最適化問題のマッピングで見られる特徴である。今回我々は、光子が原子スピン間の情報伝達を行う光共振器内の原子集団のアレイにおいて、プログラム可能な非局所相互作用を実現したことについて報告する。我々は、相互作用の距離依存性をプログラムすることによって、次元、トポロジー、計量がアレイの物理的な幾何学的構造とは全く異なる幾何学的有効構造を得た。その例として、我々は、反強磁性の三角形が連続したはしご状構造、符号の変わる相互作用を伴うメビウスの帯、量子重力の概念に着想を得たツリー様の幾何学的構造を設計した。このツリーグラフは、ホログラフィック双対性のトイモデルであり、量子系は、測定された相関から出現するより高次元の幾何学的構造の境界に存在する。今回の成果から、フラストレート磁性体やトポロジカル相のシミュレーション、量子最適化パラダイムの研究、センシングや計算に用いるエンタングルしたリソース状態の設計への、より広い可能性が得られる。

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