Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
157 tokens/sec
GPT-4o
8 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
46 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

Measuring Spectral Form Factor in Many-Body Chaotic and Localized Phases of Quantum Processors (2403.16935v1)

Published 25 Mar 2024 in quant-ph

Abstract: The spectral form factor (SFF) captures universal spectral fluctuations as signatures of quantum chaos, and has been instrumental in advancing multiple frontiers of physics including the studies of black holes and quantum many-body systems. However, the measurement of SFF in many-body systems is challenging due to the difficulty in resolving level spacings that become exponentially small with increasing system size. Here we experimentally measure the SFF to probe the presence or absence of chaos in quantum many-body systems using a superconducting quantum processor with a randomized measurement protocol. For a Floquet chaotic system, we observe signatures of spectral rigidity of random matrix theory in SFF given by the ramp-plateau behavior. For a Hamiltonian system, we utilize SFF to distinguish the quantum many-body chaotic phase and the prethermal many-body localization. We observe the dip-ramp-plateau behavior of random matrix theory in the chaotic phase, and contrast the scaling of the plateau time in system size between the many-body chaotic and localized phases. Furthermore, we probe the eigenstate statistics by measuring a generalization of the SFF, known as the partial SFF, and observe distinct behaviors in the purities of the reduced density matrix in the two phases. This work unveils a new way of extracting the universal signatures of many-body quantum chaos in quantum devices by probing the correlations in eigenenergies and eigenstates.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (34)
  1. O. Bohigas, M. J. Giannoni, and C. Schmit, Phys. Rev. Lett. 52, 1 (1984).
  2. M. L. Mehta, Random matrices (Elsevier, 2004).
  3. C. E. Porter and R. G. Thomas, Phys. Rev. 104, 483 (1956).
  4. H. L. Montgomery, in Proceedings of Symposia in Pure Mathematics, Vol. 24 (1973) pp. 181–193.
  5. J. P. Keating and N. C. Snaith, Communications in Mathematical Physics 214, 57 (2000).
  6. B. M. Victor, Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences 400, 229 (1985).
  7. Y. Imry, Europhysics Letters 1, 249 (1986).
  8. O. L. Al’tshuler and B. I. Shklovskii, Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics 64, 127 (1986).
  9. R. U. Haq, A. Pandey, and O. Bohigas, Phys. Rev. Lett. 48, 1086 (1982).
  10. J. M. Deutsch, Phys. Rev. A 43, 2046 (1991).
  11. M. Srednicki, Phys. Rev. E 50, 888 (1994).
  12. M. Rigol, V. Dunjko, and M. Olshanii, Nature 452, 854 (2008).
  13. M. Sieber and K. Richter, Physica Scripta 2001, 128 (2001).
  14. A. M. García-García and J. J. M. Verbaarschot, Phys. Rev. D 94, 126010 (2016).
  15. P. Saad, S. H. Shenker, and D. Stanford, A semiclassical ramp in syk and in gravity (2019), arXiv:1806.06840 .
  16. A. Chan, A. De Luca, and J. T. Chalker, Phys. Rev. X 8, 041019 (2018a).
  17. P. Kos, M. Ljubotina, and T. c. v. Prosen, Phys. Rev. X 8, 021062 (2018).
  18. A. Chan, A. De Luca, and J. T. Chalker, Phys. Rev. Lett. 121, 060601 (2018b).
  19. B. Bertini, P. Kos, and T. c. v. Prosen, Phys. Rev. Lett. 121, 264101 (2018).
  20. D. Basko, I. Aleiner, and B. Altshuler, Annals of Physics 321, 1126 (2006).
  21. V. Oganesyan and D. A. Huse, Phys. Rev. B 75, 155111 (2007).
  22. A. Prakash, J. H. Pixley, and M. Kulkarni, Phys. Rev. Res. 3, L012019 (2021).
  23. A. del Campo, J. Molina-Vilaplana, and J. Sonner, Phys. Rev. D 95, 126008 (2017).
  24. A. Altland and D. Bagrets, Nuclear Physics B 930, 45 (2018).
  25. J. Liu, Phys. Rev. D 98, 086026 (2018).
  26. Y. Liao, A. Vikram, and V. Galitski, Phys. Rev. Lett. 125, 250601 (2020).
  27. A. Chan, A. De Luca, and J. T. Chalker, Phys. Rev. Res. 3, 023118 (2021).
  28. D. Roy and T. c. v. Prosen, Phys. Rev. E 102, 060202 (2020).
  29. J. Šuntajs, T. Prosen, and L. Vidmar, Annals of Physics 435, 168469 (2021), special issue on Philip W. Anderson.
  30. M. Winer and B. Swingle, Phys. Rev. X 12, 021009 (2022).
  31. S. J. Garratt and J. T. Chalker, Phys. Rev. X 11, 021051 (2021).
  32. J. Preskill, Quantum 2, 79 (2018).
  33. M. V. Berry, M. Tabor, and J. M. Ziman, Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences 356, 375 (1977).
  34. T. Yoshimura, S. J. Garratt, and J. T. Chalker, Operator dynamics in floquet many-body systems (2023), arXiv:2312.14234 .
Citations (10)

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.