シリコンにドーパント原子を備えたハバードモデルの量子シミュレーション

量子シミュレーションでは、制御可能な量子システムでは多体現象が調査されます。最近、風邪原子を使用したボーズハバードハミルトニアンのシミュレーションは、以前に隠された局所相関を明らかにしました。ただし、型にはまらない超伝導やスピン液などのフェルミオン性多体ハバード現象は、冷たい原子を使用してシミュレートするのがより困難です。これまでには、必要なシングルサイトの測定と冷却は問題のままですが、アンサンブル測定のみが達成されています。ここでは、シリコン内の地下ドーパントを使用して、単一サイトの分解能を備えた低い効果的な温度で2サイトのハバードハミルトニアンをシミュレートします。原子分解能を持つスピン分解状態の準粒子トンネルマップを測定し、エンタングルメントエントロピーとハバードの相互作用が定量化される干渉プロセスを見つけます。スピンおよび軌道の自由度によって決定されるエンタングルメントは、原子価結合長の増加とともに増加します。ドーパントの大規模な配列で強く相関した現象をシミュレートするのに適した分離変動ハバード相互作用強度を見つけ、ドーパントをハバードモデルの量子シミュレーションのプラットフォームとして確立します。

In quantum simulation, many-body phenomena are probed in controllable quantum systems. Recently, simulation of Bose-Hubbard Hamiltonians using cold atoms revealed previously hidden local correlations. However, fermionic many-body Hubbard phenomena such as unconventional superconductivity and spin liquids are more difficult to simulate using cold atoms. To date the required single-site measurements and cooling remain problematic, while only ensemble measurements have been achieved. Here we simulate a two-site Hubbard Hamiltonian at low effective temperatures with single-site resolution using subsurface dopants in silicon. We measure quasi-particle tunnelling maps of spin-resolved states with atomic resolution, finding interference processes from which the entanglement entropy and Hubbard interactions are quantified. Entanglement, determined by spin and orbital degrees of freedom, increases with increasing valence bond length. We find separation-tunable Hubbard interaction strengths that are suitable for simulating strongly correlated phenomena in larger arrays of dopants, establishing dopants as a platform for quantum simulation of the Hubbard model.