Entanglement microscopy and tomography in many-body systems

量子纠缠 物理 多体纠缠 压扁的纠缠 伊辛模型 量子力学 量子不和谐 多方 量子相变 量子
作者
Ting-Tung Wang,Menghan Song,Liuke Lyu,William Witczak‐Krempa,Zi Yang Meng
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 96-96 被引量:13
标识
DOI:10.1038/s41467-024-55354-z
摘要

Quantum entanglement uncovers the essential principles of quantum matter, yet determining its structure in realistic many-body systems poses significant challenges. Here, we employ a protocol, dubbed entanglement microscopy, to reveal the multipartite entanglement encoded in the full reduced density matrix of the microscopic subregion in spin and fermionic many-body systems. We exemplify our method by studying the phase diagram near quantum critical points (QCP) in 2 spatial dimensions: the transverse field Ising model and a Gross-Neveu-Yukawa transition of Dirac fermions. Our main results are: i) the Ising QCP exhibits short-range entanglement with a finite sudden death of the LN both in space and temperature; ii) the Gross-Neveu QCP has a power-law decaying fermionic LN consistent with conformal field theory (CFT) exponents; iii) going beyond bipartite entanglement, we find no detectable 3-party entanglement with our two witnesses in a large parameter window near the Ising QCP in 2d, in contrast to 1d. We further establish the singular scaling of general multipartite entanglement measures at criticality and present an explicit analysis in the tripartite case. Quantum entanglement contains important information about quantum systems, but its calculation is challenging. Here the authors develop a quantum Monte Carlo technique for full tomography on microscopic subregions of a system, enabling extraction of multipartite quantum entanglement in large scale models.
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