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Quantum simulation of high-energy physics with ultracold atoms

Zache, Torsten Victor

German Title: Quantensimulation der Hochenergiephysik mit ultrakalten Atomen

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Abstract

Predicting the quantum dynamics of charged matter interacting with dynamical gauge fields poses an outstanding challenge in theoretical physics. Lacking a generally applicable computational method, quantum simulators offer a promising alternative.

In this thesis, we contribute to the quantum simulation of high-energy physics, focusing on the platform of ultracold atoms. Using Wilson fermions, we propose to improve implementations of lattice gauge theories based on mixtures of cold atoms in optical lattices. Numerical benchmarks indicate that this makes the realization of Schwinger pair production feasible with current technology. Our proposal is modular and an elementary building is demonstrated experimentally. We further identify dynamical topological transitions, which we discovered in the massive Schwinger model, as a suitable target for quantum simulators. Defining a gauge-invariant order parameter, these transitions are shown to persist beyond weak coupling.

In the second part of this thesis, we develop a framework for analyzing quantum simulators in terms of experimentally accessible irreducible correlation functions at equal times. We verify this approach numerically for the sine-Gordon model in thermal equilibrium, quantum simulated by two tunnel-coupled superfluids. Finally, we apply our analysis to the non-equilibrium dynamics of a spinor Bose gas, revealing suppressed effective interactions in a strongly-correlated infrared regime.

Translation of abstract (German)

Die Vorhersage der Quantendynamik von geladener Materie, die mit dynamischen Eichfeldern interagiert, ist eine außerordentliche Herausforderung in der theoretischen Physik. In Ermangelung einer allgemein anwendbaren Berechnungsmethode bieten Quantensimulatoren eine vielversprechende Alternative.

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Quantensimulation der Hochenergiephysik, wobei wir uns auf die Plattform ultrakalter Atome konzentrieren. Mittels Wilson-Fermionen schlagen wir vor die Implementierung von Gittereichtheorien basierend auf Gemischen kalter Atome in einem optischen Gitter zu verbessern. Numerische Simulationen zeigen, dass dies die Realisierung der Schwinger-Paarproduktion mit aktueller Technologie möglich macht. Unsere vorgeschlagene Implementierung ist modular und ein elementarer Baustein wird experimentell demonstriert. Darüber hinaus identifizieren wir dynamische topologische Übergänge, die wir im massiven Schwinger-Modell entdeckt haben, als geeignetes Ziel für die Anwendung von Quantensimulatoren. Durch die Definition eines eichinvarianten Ordnungsparameter können wir zeigen, dass diese Übergänge jenseits schwacher Wechselwirkungen bestehen bleiben.

Im zweiten Teil dieser Arbeit entwickeln wir einen Formalismus für die Analyse von Quantensimulatoren mittels experimentell zugänglicher irreduzibler Korrelationsfunktionen zu gleichen Zeiten. Wir verifizieren diesen Ansatz numerisch für das Sine-Gordon-Modell im thermischen Gleichgewicht, das durch zwei tunnelgekoppelte Superfluide quantensimuliert wird. Schließlich wenden wir unsere Analyse auf die Nichtgleichgewichtsdynamik eines Spinor-Bose-Gases an und finden eine unterdrückte effektive Wechselwirkung in einem stark korrelierten Infrarotbereich.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Berges, Prof. Dr. Jürgen
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 17 June 2020
Date Deposited: 26 Jun 2020 07:57
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
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