Opis projektu
Badanie właściwości nieergodycznej materii kwantowej
Układy ergodyczne należą do najważniejszych pojęć mechaniki statystycznej, ponieważ osiągają równowagę termiczną, pozwalając na tworzenie szerokich opisów klasycznych. W odróżnieniu od nich, nieergodyczne wielociałowe układy kwantowe nie ulegają termalizacji i mogą w związku z tym potencjalnie zachowywać swoją kwantową naturę przez dłuższy czas. Finansowany przez UE projekt NEQuM ma na celu pogłębienie wiedzy na temat dynamiki i właściwości tych odizolowanych układów kwantowych poprzez zbadanie różnych sposobów na złamanie ergodyczności, takich jak nieuporządkowanie, frustracja czy ukryte symetrie. Rezultaty projektu, bazujące na nowych technikach analitycznych i numerycznych, pozwolą przygotować grunt potrzebny do stworzenia ogólnej teorii układów kwantowych w stanie nierównowagi. Zdolność układów nieergodycznych do zachowania właściwości kwantowych przez dłuższy czas może zostać wykorzystana w wielu praktycznych zastosowaniach nie tylko w nauce, ale także w nowych technologiach. Przykładem są nieuporządkowane układy kwantowe, które potencjalnie mogą być niezwykle przydatne do opracowywania przyszłych technologii przechowywania i przetwarzania informacji.
Cel
In this project we propose to build the theory of non-ergodic quantum matter – isolated quantum systems that avoid thermal equilibrium. To this end, we will study the established non-ergodic phases, search for new phases, and seek to understand their common properties and dynamics. Recently non-ergodic systems that avoid the fate of thermal equilibrium were realized experimentally in quantum simulators. Specific examples include many-body localized phases, glassy and kinetically constrained models, and systems with weak ergodicity breaking. Freedom from the laws of equilibrium statistical mechanics opens up a host of possible unexpected behaviors prohibited in equilibrium. The ability of non-ergodic systems to stay quantum on longer timescales has potential for practical applications. This calls for the development of a general theory of non-ergodic quantum systems. In order to develop such theory, in this project we will seek to address the questions: What are the possible ways to avoid attaining thermal equilibrium? What are the universal properties of such non-ergodic systems? What is the nature of their long time dynamics and their steady state? How can we put their properties to use? The PI will leverage his expertise in studies of many-body localization to lead a coherent research program aimed at (i) describing universal properties of highly-excited eigenstates and their entanglement; (ii) developing new methods to simulate non-ergodic dynamics and reveal its experimental signatures; and (iii) using such quantum phases for many-body state preparation and optimal control. The theory delivered by this project will ultimately provide useful insights into quantum thermalization, thus establishing the first steps towards a general theory of non-equilibrium quantum systems. On the practical side, such theory will guide the experimental search for non-ergodic phases, and open the door to their application in more efficient quantum information storage and processing.
Dziedzina nauki
Program(-y)
Temat(-y)
System finansowania
ERC-STG - Starting GrantInstytucja przyjmująca
3400 Klosterneuburg
Austria