原子雲の配列におけるプログラム可能な相互作用と緊急幾何学

相互作用は、情報の流れと、多体量子系の成分間の相関関係の形成を支配し、自然に見られる物質の段階と実験室で生成された絡み合いの形態を決定します。典型的な相互作用は距離と崩壊するため、量子シミュレーター1,2の材料または原子のトラッピングサイトの結晶構造など、ジオメトリなどによって支配される接続性のネットワークを生成します。ただし、量子シミュレーションと計算で想定されている多くのアプリケーションには、非ローカルな相互作用を含むより複雑な結合グラフが必要です。これは、ブラックホールでスクランブルする情報のモデル3-6およびハード最適化問題のマッピングが欲求不満の古典的磁石に特化しています7-11。ここでは、光子が原子スピンの間に情報を運ぶ光学空洞内の原子アンサンブルの配列におけるプログラム可能な非ローカル相互作用の実現について説明します。相互作用の距離依存性をプログラミングすることにより、次元、トポロジ、メトリックがアレイの物理ジオメトリとは完全に異なる効果的な形状にアクセスします。例として、私たちは反強磁気三角形のはしご、標識変化する相互作用を備えたメビウスストリップと、量子重力の概念に触発された木の形のジオメトリを設計します5,20-22。ツリーグラフは、ホログラフィック二重性21,22の玩具モデルを構成します。このモデルでは、量子システムは、測定された相関から生じる高次元のジオメトリの境界にあります23。私たちの作業は、不満のある磁石とトポロジーフェーズをシミュレートするためのより広範な見通しを提供し、量子最適化パラダイム10,11,25,26を調査し、センシングと計算のためのエンジニアリングのリソース状態をエンジニアリングします27,28。

Interactions govern the flow of information and the formation of correlations between constituents of many-body quantum systems, dictating phases of matter found in nature and forms of entanglement generated in the laboratory. Typical interactions decay with distance and thus produce a network of connectivity governed by geometry-such as the crystalline structure of a material or the trapping sites of atoms in a quantum simulator1,2. However, many envisioned applications in quantum simulation and computation require more complex coupling graphs including non-local interactions, which feature in models of information scrambling in black holes3-6 and mappings of hard optimization problems onto frustrated classical magnets7-11. Here we describe the realization of programmable non-local interactions in an array of atomic ensembles within an optical cavity, in which photons carry information between atomic spins12-19. By programming the distance dependence of the interactions, we access effective geometries for which the dimensionality, topology and metric are entirely distinct from the physical geometry of the array. As examples, we engineer an antiferromagnetic triangular ladder, a Möbius strip with sign-changing interactions and a treelike geometry inspired by concepts of quantum gravity5,20-22. The tree graph constitutes a toy model of holographic duality21,22, in which the quantum system lies on the boundary of a higher-dimensional geometry that emerges from measured correlations23. Our work provides broader prospects for simulating frustrated magnets and topological phases24, investigating quantum optimization paradigms10,11,25,26 and engineering entangled resource states for sensing and computation27,28.