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Realization of a Quantum Integer-Spin Chain with Controllable Interactions

机译：具有可控制相互作用的量子整数自旋链的实现

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The physics of interacting integer-spin chains has been a topic of intense theoretical interest, particularly in the context of symmetry-protected topological phases. However, there has not been a controllable model system to study this physics experimentally. We demonstrate how spin-dependent forces on trapped ions can be used to engineer an effective system of interacting spin-1 particles. Our system evolves coherently under an applied spin-1 X Y Hamiltonian with tunable, long-range couplings, and all three quantum levels at each site participate in the dynamics. We observe the time evolution of the system and verify its coherence by entangling a pair of effective three-level particles (“qutrits”) with 86% fidelity. By adiabatically ramping a global field, we produce ground states of the X Y model, and we demonstrate an instance where the ground state cannot be created without breaking the same symmetries that protect the topological Haldane phase. This experimental platform enables future studies of symmetry-protected order in spin-1 systems and their use in quantum applications.
机译：相互作用的整数自旋链的物理学一直是强烈的理论兴趣的话题，特别是在对称保护的拓扑相的情况下。但是，还没有可控的模型系统来通过实验研究这种物理学。我们展示了如何利用对捕获离子的自旋依赖性力来设计相互作用自旋1粒子的有效系统。我们的系统在自旋1 X Y哈密顿量和可调谐的远距离耦合作用下相干演化，并且每个位点的所有三个量子能级都参与了动力学。我们观察系统的时间演化，并通过纠缠一对具有86％保真度的有效三级粒子（“ qutrits”）来验证其一致性。通过绝热地倾斜一个全局场，我们生成了X Y模型的基态，并且我们演示了一个实例，在该实例中，如果不破坏保护拓扑Haldane相的相同对称性就无法创建基态。这个实验平台使spin-1系统中对称保护顺序的进一步研究及其在量子应用中的应用成为可能。

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