<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD with OASIS Tables with MathML3 v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing-oasis-article1-3-mathml3.dtd">
<article article-type="research-article" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:oasis="http://www.niso.org/standards/z39-96/ns/oasis-exchange/table"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">PRL</journal-id><journal-id journal-id-type="coden">PRLTAO</journal-id><journal-title-group><journal-title>Physical Review Letters</journal-title><abbrev-journal-title>Phys. Rev. Lett.</abbrev-journal-title></journal-title-group><issn pub-type="ppub">0031-9007</issn><issn pub-type="epub">1079-7114</issn><publisher><publisher-name>American Physical Society</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.1103/btw6-44ry</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="toc-major"><subject>LETTERS</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="toc-minor"><subject>Particles and Fields</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Semiclassical Wormholes toward Typical Entangled States</article-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0003-0373-1987</contrib-id><name><surname>Magán</surname><given-names>Javier M.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1"><sup>1</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0003-1056-6000</contrib-id><name><surname>Sasieta</surname><given-names>Martin</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a2"><sup>2</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0003-0334-3108</contrib-id><name><surname>Swingle</surname><given-names>Brian</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a2"><sup>2</sup></xref></contrib><aff id="a1"><label><sup>1</sup></label><institution-wrap><institution>Instituto Balseiro</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/00sx0cd23</institution-id></institution-wrap>, Centro Atómico Bariloche, 8400-S.C. de Bariloche, Río Negro, Argentina</aff><aff id="a2"><label><sup>2</sup></label>Martin Fisher School of Physics, <institution-wrap><institution>Brandeis University</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/05abbep66</institution-id></institution-wrap>, Waltham, Massachusetts 02453, USA</aff></contrib-group><pub-date iso-8601-date="2025-10-15" date-type="pub" publication-format="electronic"><day>15</day><month>October</month><year>2025</year></pub-date><pub-date iso-8601-date="2025-10-17" date-type="pub" publication-format="print"><day>17</day><month>October</month><year>2025</year></pub-date><volume>135</volume><issue>16</issue><elocation-id>161601</elocation-id><pub-history><event><date iso-8601-date="2025-04-22" date-type="received"><day>22</day><month>April</month><year>2025</year></date></event><event><date iso-8601-date="2025-09-17" date-type="accepted"><day>17</day><month>September</month><year>2025</year></date></event></pub-history><permissions><copyright-statement>Published by the American Physical Society</copyright-statement><copyright-year>2025</copyright-year><copyright-holder>authors</copyright-holder><license license-type="creative-commons" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><license-p content-type="usage-statement">Published by the American Physical Society under the terms of the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International</ext-link> license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP<sup>3</sup>.</license-p></license></permissions><related-article ext-link-type="doi" xlink:href="10.48550/arXiv.2504.07171" related-article-type="preprint"/><abstract><p>What do the typical entangled states of two black holes look like? Do they contain semiclassical interiors? We approach these questions constructively, providing ensembles of states that densely explore the black hole Hilbert space. The states contain very long <italic>Einstein-Rosen caterpillars</italic>: semiclassical wormholes with large numbers of matter inhomogeneities. Distinguishing these ensembles from the typical entangled states of the black holes is hard. We quantify this by deriving the correspondence between a microscopic notion of quantum randomness and the geometric length of the wormhole. This formalizes a “complexity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> geometry” relation.</p></abstract><funding-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>U.S. Department of Energy</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100000015</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>DE-SC0009986</award-id><award-id>QuantISED DE-SC0020360</award-id><award-id>GeoFlow DE-SC0019380</award-id></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="AQ"><institution-wrap><institution>Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100002923</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group></funding-group><counts><page-count count="9"/></counts></article-meta></front><body><sec id="s1"><title specific-use="run-in">Introduction—</title><p>ER <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> EPR postulates the remarkable equivalence between spatial wormholes in general relativity (Einstein-Rosen bridges, ER) and quantum entanglement (Einstein-Podolsky-Rosen, EPR) <xref ref-type="bibr" rid="c1">[1]</xref>. In essence, when two systems are quantum-mechanically entangled, a “wormhole” is conjectured to be connecting them.</p><p>The proposal is fundamentally rooted in holographic entanglement in the anti–de Sitter space-conformal field theory correspondence (AdS-CFT) <xref ref-type="bibr" rid="c2">[2]</xref>. There, the observation is that an honest geometric wormhole can emerge between two black holes when the microscopic quantum correlations are large enough <xref ref-type="bibr" rid="c3">[3]</xref>. The classic example is the thermofield double state (TFD) of two copies of the holographic CFT on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>TFD</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(1)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are energy eigenstates of the left (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and right (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula>) CFT Hamiltonians <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The star in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the action under <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">CRT</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. On the one hand, this is an entangled state between the CFTs, which canonically purifies the thermal state of a single CFT. On the other hand, the TFD is dual to a connected spatial wormhole, corresponding to the Hartle-Hawking state of an eternal black hole in AdS space <xref ref-type="bibr" rid="c4">[4]</xref>.</p><p>The TFD example is very illuminating but, as often emphasized <xref ref-type="bibr" rid="c1 c4 c5 c6 c7">[1,4–7]</xref>, it is rather atypical, given that the TFD is a very special entangled state. For one thing, it lies in the diagonal subspace, annihilated by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Additionally, its wave function has large correlations between the two systems, captured geometrically by a short wormhole with a bifurcate Killing horizon. Such fine-tuned correlations are dynamically destroyed by small perturbations injected at a scrambling time in the past <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref>.</p><p>If ER <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> EPR is to represent a general principle, one might ask: is there a wormhole for a typical entangled state of two black holes?</p></sec><sec id="s2"><title specific-use="run-in">Typical EPR—</title><p>To motivate a definition of “typical EPR” that makes sense for CFTs in thermal equilibrium, we first consider a toy example consisting of two collections of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> qubits, prepared in the maximally entangled state <disp-formula id="d2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2)</label></disp-formula>where the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⊗</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⊗</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> form an orthonormal basis and the dimension of each Hilbert space is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The state <xref ref-type="disp-formula" rid="d2">(2)</xref> is the infinite-temperature TFD, in which the systems share <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> Bell pairs.</p><p>We will define the ensemble of <italic>typical entangled states,</italic> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, between these systems as the collection of states obtained by applying a random single-sided unitary to the TFD, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, or, more explicitly, <disp-formula id="d3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a Haar random unitary in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The state <xref ref-type="disp-formula" rid="d3">(3)</xref> is a random purification of the maximally mixed state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Now, to define the typical entangled states of two black holes, we will proceed by analogy and generalize the notion above to finite temperature. In AdS-CFT, an equilibrium black hole has an associated equilibrium density matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the CFT. For a neutral black hole, the state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is ensemble equivalent to the canonical Gibbs state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the large-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> limit of the CFT.</p><p>We define the ensemble of <italic>typical equilibrium entangled states,</italic> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as the collection of states of the form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">⊗</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, or explicitly, <disp-formula id="d4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(4)</label></disp-formula>Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the eigenvalue of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and we have introduced <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>D</mml:mi></mml:msqrt><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the Haar random <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="sans-serif">U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. With this normalization, we can safely take the infinite Hilbert space dimension limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In this limit, the coefficients <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> converge to i.i.d. Gaussian random variables with zero mean and unit variance. In Appendix A, we outline some of the properties of the ensemble <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For example, on average, the reduced state is the equilibrium density matrix, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Our question becomes, do such typical equilibrium entangled states have wormholes associated with them? Our approach in this Letter is to explicitly construct ensembles of states with wormholes that better and better approximate such typical EPRs.</p></sec><sec id="s3"><title specific-use="run-in">A dense exploration of Hilbert space—</title><p>Random states and unitaries are ubiquitous in quantum physics, but implementing them in practice is computationally hard. In the present context, the objective is to, even in principle, construct a typical-looking entangled state of two black holes starting from the TFD.</p><p>A natural possibility is to consider the time evolution of the TFD state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>TFD</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>TFD</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, or explicitly, <disp-formula id="d5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>TFD</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5)</label></disp-formula>As we elaborate in Appendix B, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>TFD</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will never become a random EPR, even if the Hamiltonian is completely structureless. The main reason is the conservation of energy along the trajectory, which prevents the state vector from exploring most of Hilbert space.</p><p>This example nevertheless provides a more general instance of ER <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> EPR. From the spacetime perspective, the wormhole grows in time <xref ref-type="bibr" rid="c1 c8">[1,8]</xref>. The geometric volume of the wormhole is conjectured to encode a suitable notion of “quantum complexity” of the time evolution <xref ref-type="bibr" rid="c9">[9]</xref>.</p><p>The way to continuously reach random-looking entangled states is to instead consider time-dependent Hamiltonians driving the evolution. For the sake of clarity, we shall first describe this in the qubit system. We will consider a general time-dependent Hamiltonian of the form <disp-formula id="d6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6)</label></disp-formula>where the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>α</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> form a collection of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> Hermitian operators, normalized so that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with associated time-dependent couplings <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>α</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The time-evolution operator now becomes <disp-formula id="d7"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(7)</label></disp-formula>Applying it to the TFD generates states <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, or, explicitly, <disp-formula id="d8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(8)</label></disp-formula>In this Letter, we will select the couplings from a collection of white-noise correlated Gaussian random couplings, <disp-formula id="d9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(9)</label></disp-formula>Such couplings define an independent random Hamiltonian at each time step. Upon exponentiation, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> follows a multiplicative Brownian motion in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which corresponds to the continuous-time analog of a random quantum circuit. In particular, at each time step, the time evolution implements an infinitesimal “random gate” <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. At the level of the states <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref>, this Markov process defines an ensemble of states <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Under general assumptions for the drive operators, and in the absence of symmetries, it is possible to show that the measure of the ensemble of states <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges weakly to the uniform measure at infinite times <xref ref-type="bibr" rid="c10 c11">[10,11]</xref>, <disp-formula id="d10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(10)</label></disp-formula>or, equivalently, that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is Haar random.</p></sec><sec id="s4"><title specific-use="run-in">Gradual cooling—</title><p>For black holes, we will consider a holographic random quantum circuit selecting a collection of perturbations <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>α</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of the CFT associated with low-energy matter fields in the bulk. An obvious problem that arises here is that applying <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> to a finite-temperature TFD will eventually heat up the corresponding black hole, and this process will not generate a typical equilibrium EPR of the form <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref>. To stabilize the energy of the black hole, we will instead gradually cool down the random circuit applying the operator <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref>, <disp-formula id="d11"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⋯</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(11)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Formally, this defines an operator <disp-formula id="d12"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(12)</label></disp-formula>by path ordering on a contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f1">1</xref>. We follow an infinitesimal cooling-and-evolving process, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the relative magnitude between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:math></inline-formula> has been absorbed into the definition of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="d9">(9)</xref>.</p><fig id="f1"><object-id>1</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/btw6-44ry.f1</object-id><label>FIG. 1.</label><caption><p>Complex time contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defining the operator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The Hamiltonian <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is taken to be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> on the black parts of the contour and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the blue parts. The time folds effectively implement the interaction Hamiltonian <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e161601_1.eps"/></fig><p>We will utilize the gradually cooled random circuit to define the ensemble of states <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at fixed time, <disp-formula id="d13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(13)</label></disp-formula>At <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the state <xref ref-type="disp-formula" rid="d13">(13)</xref> corresponds to the TFD <xref ref-type="disp-formula" rid="d1">(1)</xref>. As we will later explain, when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>∞</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> converges weakly to a random matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>X</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for Gaussian random <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> and a density matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is determined by the steady state of the random quantum circuit <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref>. Accordingly, the ensemble <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges to the ensemble of typical entangled states of the two black holes, <disp-formula id="d14"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(14)</label></disp-formula>for the equilibrium state <disp-formula id="d15"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(15)</label></disp-formula>Thus, the random circuit allows us to continuously connect the TFD and a typical EPR of two black holes.</p></sec><sec id="s5"><title specific-use="run-in">ER caterpillars—</title><p>We will now elucidate the geometric properties of the semiclassical duals to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>, using the gravitational path integral to prepare them. While the precise geometry of individual states will be difficult to characterize, we will argue that they include two black holes connected by an Einstein-Rosen (ER) caterpillar <xref ref-type="bibr" rid="c13">[13]</xref>: a spatial wormhole with a large number of matter inhomogeneities and geometric features qualitatively similar to those illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref>.</p><fig id="f2"><object-id>2</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/btw6-44ry.f2</object-id><label>FIG. 2.</label><caption><p>The ER caterpillar is a long, bumpy wormhole supported by an inhomogeneous matter distribution, with correlation scale set by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>ℓ</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and average length set by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℓ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e161601_2.eps"/></fig><p>Unlike the multiple-shock spacetimes of <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>, the caterpillars are not spherically symmetric and are constructed by introducing matter from the Euclidean section directly into the black hole interior, thereby preserving equilibrium and allowing the wormhole to become much longer.</p><p>In order to construct them, we start from the norm of the right-hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="d13">(13)</xref>, which is proportional to the correlation function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This quantity can be alternatively expressed as the survival amplitude <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref>, <disp-formula id="d16"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>TFD</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⊗</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>TFD</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(16)</label></disp-formula>Here, we have introduced the TFD state between forward (1) and backward <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> contours at inverse temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>β</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In this form, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is computed by the CFT path integral along a complex time contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>. The time orientation of the backward contour is reversed, as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is applied on this contour. The un-normalized state <xref ref-type="disp-formula" rid="d13">(13)</xref> is prepared by the lower half of this contour.</p><fig id="f3"><object-id>3</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/btw6-44ry.f3</object-id><label>FIG. 3.</label><caption><p>Complex time contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> composed of forward (1) and backward (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) contours.</p></caption><graphic xlink:href="e161601_3.eps"/></fig><p>Using the AdS-CFT dictionary, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be evaluated semiclassically by the gravitational path integral with sources for the bulk fields <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>α</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> given by the time-dependent couplings of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. For single instances of the circuit, evaluating the gravitational path integral in a saddle point approximation is highly nontrivial. A trick that we will use is to average over the time-dependent couplings and evaluate the average norm, <disp-formula id="d17"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(17)</label></disp-formula>Given that the perturbations that we have chosen are semiclassical for single realizations of the couplings, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> will give us information about the average geometry over the ensemble of states. This is justified because the norm of the states—and thus, the semiclassical geometry that computes it—is self-averaging over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref>. At late times, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Std</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>log</mml:mi><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the second Rényi entropy of the equilibrium state <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref>.</p><p>The average over the Brownian couplings can be performed exactly, using the identity <disp-formula id="d18"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⊗</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(18)</label></disp-formula>for the effective time-independent Hamiltonian <disp-formula id="d19"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>*</mml:mo><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(19)</label></disp-formula>That is, the disorder average over the Brownian couplings effectively produces local-in-time interactions between both contours in the form of a time-independent Hamiltonian <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The quadratic interaction in <xref ref-type="disp-formula" rid="d19">(19)</xref> arises from the Gaussianity of the random couplings.</p><p>Inserting the identity <xref ref-type="disp-formula" rid="d18">(18)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="d17">(17)</xref>, we find that the average norm corresponds to the matrix element <disp-formula id="d20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>TFD</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>TFD</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(20)</label></disp-formula>This is considerably simpler because <xref ref-type="disp-formula" rid="d20">(20)</xref> is a purely Euclidean object and so is the gravitational saddle point manifold <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> that evaluates it semiclassically, <disp-formula id="d21"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>grav</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>as</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(21)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>grav</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>grav</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>-loop</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>grav</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the Euclidean gravitational action and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>-loop</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> the one-loop partition function for the bulk fields on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><p>The relevant properties of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> follow from an assumption for the effective Hamiltonian of the random circuit:</p><p>At large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the effective Hamiltonian <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="disp-formula" rid="d19">(19)</xref> is gapped, and it contains a unique ground state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>GS</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> with a semiclassical description as a connected spatial wormhole.</p><p>We will later motivate specific choices of the drive operators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which lead to an effective Hamiltonian satisfying this assumption, but we keep the argument general here. Under the assumption above, the operator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is approximately proportional to the projector <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>GS</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>GS</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>. What this means for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is that there is a Euclidean time-translation symmetry of the CFT path integral <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>TFD</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>GS</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>GS</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>TFD</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the bulk saddle point <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> must inherit this isometry. The onset time of this symmetry is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>gap</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>log</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>gap</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the gap and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the number of first excited states of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. As illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>, this symmetry deforms the geometry of the disk and makes it very long. Cutting the path integral open at a constant Euclidean time prepares the un-normalized ground state, represented in the bulk as a connected spatial wormhole (blue slice). For this reason, the metric on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is that of a Euclidean eternal traversable wormhole <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref>. The relevant slice that determines the average geometry of the ensemble of ER caterpillars is the red reflection-symmetric slice on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Because of the isometry, this slice contains an approximately cylindrical spatial wormhole of length scaling linearly with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f4"><object-id>4</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/btw6-44ry.f4</object-id><label>FIG. 4.</label><caption><p>On top, the Euclidean saddle point <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of topology <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a disk, has an approximate translation isometry in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction. At each constant-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (blue) slice, the path integral prepares the semiclassical dual to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>GS</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>. On the bottom, the Lorentzian continuation across the red slice is preparing a two-sided black hole with an approximate translation symmetry in the interior. The length of the wormhole <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℓ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is proportional to the circuit time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e161601_4.eps"/></fig><p>Since the effective Hamiltonian is gapped, the lightest particle excitations on this wormhole will correspond to the first excited states, with energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>gap</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. These excitations serve as a bulk “clock” to measure the wormhole length <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℓ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and relate it to the asymptotic circuit time. The precise relation is <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref> <disp-formula id="d22"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">ℓ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">ℓ</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>gap</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>⋆</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(22)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mo>ℓ</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the correlation scale of the lightest excitations on the wormhole. The quantities <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>gap</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mo>ℓ</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are determined by quantizing the bulk fields on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> with suitable boundary conditions and reading their energy and the decay of the bulk two-point function.</p><p>For explicit constructions of the ER caterpillars, we could specify the drive operators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mi>α</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> to be local single-trace relevant conformal primaries, in which case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> labels spatial points. In this case, the interaction <xref ref-type="disp-formula" rid="d19">(19)</xref> corresponds to an eternal version of the Gao-Jafferis-Wall double-trace perturbation <xref ref-type="bibr" rid="c16">[16]</xref>. Coincidentally, the effective Hamiltonian <xref ref-type="disp-formula" rid="d19">(19)</xref> was analyzed in detail in the Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) model by Maldacena and Qi, with an interaction term formed by a large number <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> of relevant Majorana bilinears <xref ref-type="bibr" rid="c17">[17]</xref>. In that case, the lesson is that the low-temperature phase of the coupled systems is gapped, with a unique ground state that corresponds to a connected spatial wormhole, satisfying our assumptions. The ground state is similar to the TFD at some coupling-dependent temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (in units of the SYK couplings). Moreover, it has <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> overlap with it for large-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> SYK and for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the regular <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> SYK (in units where the SYK couplings <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). In <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref>, we provided a totally explicit construction of the ER caterpillars of the SYK model based on this construction. A similar picture is expected to hold in higher dimensions, provided that the Hamiltonian <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is sufficiently chaotic <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref>.</p></sec><sec id="s6"><title specific-use="run-in">Wormhole length <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> randomness—</title><p>We will now derive a quantitative relation between the average length of the wormhole <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℓ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and a microscopic feature of the ensemble of states <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Let us explain this notion in the qubit system first. The idea is that, at finite but large circuit time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the states <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> are not fully typical EPRs because <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are statistically distinguishable. The approach to typical is quantified by the notion of a <italic>quantum state</italic> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> <italic>design</italic>: an ensemble of states that reproduces the first <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> moments of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. More precisely, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th moment superstate of a general ensemble of states <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is defined as <disp-formula id="d23"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⊗</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(23)</label></disp-formula>The state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> replicas of the original Hilbert space. It is generally a mixed state, given the correlations between replicas that arise from the average over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Given this, a quantum state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> design is defined by the condition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, this is equivalent to the condition that the random circuit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> forms a <italic>unitary</italic> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> <italic>design</italic>: an ensemble of unitaries that reproduces the first <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> moments of the Haar ensemble.</p><p>Note that these notions are physically very strong, since a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> design is indistinguishable from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by any statistical <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>-copy measure. In practice, only approximate notions of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> designs make sense at finite time. For these, one typically bounds some quantum distance between moment superstates.</p><p>We define a (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> equilibrium) quantum state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> design by the condition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we will compute the distance to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> design <disp-formula id="d24"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(24)</label></disp-formula>and the corresponding time to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>min</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We are now ready to state the main result of this Letter.</p><sec id="s6a"><title specific-use="run-in">Length-randomness correspondence: </title><p>The ensemble of ER caterpillars of average length <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℓ</mml:mo></mml:math></inline-formula> and matter correlation scale <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mo>ℓ</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> forms an <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-approximate quantum state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> design of the black holes for <disp-formula id="d25"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">ℓ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">ℓ</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">ℓ</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(25)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>ℓ</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>ℓ</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>log</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>The correspondence follows from evaluating the distance <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> using the gravitational path integral. The calculation boils down to gravitationally computing the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th moment <italic>two-point function</italic> of the ensemble, <disp-formula id="d26"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(26)</label></disp-formula>This quantity corresponds to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th moment of the overlap between two independent draws of the ensemble of states. In the CFT, it is evaluated as a disordered path integral on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> replicas of a closed time contour, with two independent instances of the random circuit on each contour, generalizing Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>. The moment two-point function is relevant because it controls the distance to design <disp-formula id="d27"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(27)</label></disp-formula>where we have defined the purity of the moment state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, also dubbed the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th frame potential.</p><p>Now, the average over Brownian couplings in <xref ref-type="disp-formula" rid="d26">(26)</xref> can be performed exactly. This produces time-independent interactions between the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> contours, and the moment two-point function corresponds to a thermal-looking partition function, <disp-formula id="d28"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(28)</label></disp-formula>for the time-independent <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> replica Hamiltonian <disp-formula id="d29"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>*</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math><label>(29)</label></disp-formula>and the bare <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> replica Hamiltonian <disp-formula id="d30"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(30)</label></disp-formula>For large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the dominant contribution to this partition function comes from the ground space and first excited states of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The assumption, consistent with semiclassical and infinite-temperature (or large enough coupling <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>) considerations, is that the ground states break replica symmetry of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and factorize into <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> copies of the ground state of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> connecting two replicas. The two-boundary Euclidean wormhole that reproduces the ground state contribution is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref>. The first excited states correspond to single-particle excitations on each replica of this wormhole, with energy given by the two-replica gap <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>gap</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For the caterpillars of the SYK model, this wormhole is a stabilized double trumpet <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref>.</p><fig id="f5"><object-id>5</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/btw6-44ry.f5</object-id><label>FIG. 5.</label><caption><p>Euclidean two-boundary wormhole providing the late-time “plateau” value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The saddle-point topology is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The wormhole geometry includes two long regions with a Euclidean time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>τ</mml:mi></mml:math></inline-formula> translation isometry geometrically equivalent to the one for the disk in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>.</p></caption><graphic xlink:href="e161601_5.eps"/></fig><p>This produces a late-time behavior <disp-formula id="d31"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>gap</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(31)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo></mml:math></inline-formula> comes from the number of ground states, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of first excited states, corresponding to the possible single-particle excitations on each of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> two-boundary wormholes. The late-time value is expressed in terms of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> frame potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref>. Using <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref>, this leads to a late-time distance to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> design of <disp-formula id="d32"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>gap</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(32)</label></disp-formula>which for large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> produces a time to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> design of <disp-formula id="d33"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>gap</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>log</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>log</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>log</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>log</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(33)</label></disp-formula>Up to subleading logarithmic factors, the growth is linear in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with the slope <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>gap</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The semiclassical analysis requires <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be able to neglect other nonperturbative effects. The length-randomness relation <xref ref-type="disp-formula" rid="d25">(25)</xref> follows directly from <xref ref-type="disp-formula" rid="d33">(33)</xref> together with <xref ref-type="disp-formula" rid="d22">(22)</xref>.</p></sec></sec><sec id="s7"><title specific-use="run-in">Discussion—</title><p>The ensembles of caterpillars constructed in this Letter provide a window into the generic structure of the black hole Hilbert space in any theory of gravity with low-energy matter. The construction and main result of this Letter support a vastly more general form of ER <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> EPR and seem to be in some tension with arguments against semiclassicality of typical interiors <xref ref-type="bibr" rid="c7 c19 c20 c21 c22">[7,19–22]</xref>. We believe that resolving this tension could be relevant for the typical-state firewall paradox. We think caterpillars can be useful for this purpose because, from the randomness perspective, we see no reason why they should have their properties dramatically altered before exponential times, even though we cannot show this with semiclassical methods. In future work, this extrapolation of the semiclassical analysis could be addressed in explicit UV complete models at finite <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> using numerical or even experimental methods. Another open question is whether caterpillars offer any insight into weaker notions of firewalls in typical states, such as highly boosted matter shocks near the horizon <xref ref-type="bibr" rid="c6 c23 c24 c25 c26 c27">[6,23–27]</xref>. Naively, since the matter in the caterpillar begins at rest, the states do not seem to exhibit this type of firewall. Past-evolved caterpillars, evolved over a few scrambling times, do, however, because the matter becomes highly boosted in the frame of the infaller. At the level of ensembles of microscopic quantum states, both the caterpillars and the past-evolved caterpillars form approximate quantum state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> designs under the 2-norm definition used in this Letter. While, at the technical level, this points to the need for a stricter 1-norm definition of an approximate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> design, it conceptually suggests that distinguishing states with firewalls from those without is extremely difficult. In fact, if we could extrapolate our result to exponentially large values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the indistinguishability would be so strong that the very question of whether a state has a firewall might become meaningless. It would be interesting to know whether this limitation is what the overlap analysis of <xref ref-type="bibr" rid="c24 c25 c26">[24–26]</xref> is indicating. It would also be worth exploring whether the state-dependent interior reconstruction of <xref ref-type="bibr" rid="c28">[28]</xref> plays any role here, given that our conclusion is largely state independent.</p><p>Finally, in the spirit of the “quantum gravity in the lab” program <xref ref-type="bibr" rid="c29">[29]</xref>, it would be interesting to construct and study these states in the lab as a way of directly probing the black hole interior. Physically instantiating these states is not trivial since they involve nonunitary elements due to the gradual cooling, but such evolutions can be implemented inefficiently using postselection or a variety of other methods, e.g., the recently discussed double-bracket flow approach <xref ref-type="bibr" rid="c30">[30]</xref>. Alternatively, by constructing an isometry that embeds the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> low-energy states of the black hole into the microscopic Hilbert space (e.g., as was effectively done in <xref ref-type="bibr" rid="c31">[31]</xref> for a noninteracting fermion system), one might be able to combine this isometry with a conventional random circuit in the low-energy Hilbert space to produce random low-energy states embedded in the microscopic Hilbert space.</p></sec></body><back><ack><title specific-use="run-in">Acknowledgments—</title><p>We thank Stefano Antonini, José Barbón, Adam Bouland, Horacio Casini, Matt Headrick, Don Marolf, Douglas Stanford, Lenny Susskind, and Mark Van Raamsdonk for discussions. M. S. and B. S. acknowledge support from the U.S. Department of Energy through DE-SC0009986, QuantISED DE-SC0020360, and GeoFlow DE-SC0019380. The work of J. M. is supported by CONICET, Argentina. This preprint is assigned the code BR-TH-6724.</p></ack><sec sec-type="data-availability"><title specific-use="run-in">Data availability—</title><p>No data were created or analyzed in this study.</p></sec><ref-list><ref id="c1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>1</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Maldacena</string-name> and <string-name>L. Susskind</string-name></person-group>, <article-title>Cool horizons for entangled black holes</article-title>, <source>Fortschr. Phys.</source> <volume>61</volume>, <page-range>781</page-range> (<year>2013</year>).<pub-id pub-id-type="coden">FPYKA6</pub-id><issn>0015-8208</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1002/prop.201300020</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>2</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Ryu</string-name> and <string-name>T. Takayanagi</string-name></person-group>, <article-title>Holographic derivation of entanglement entropy from AdS/CFT</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>96</volume>, <page-range>181602</page-range> (<year>2006</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.96.181602</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>3</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Van Raamsdonk</string-name></person-group>, <article-title>Building up spacetime with quantum entanglement</article-title>, <source>Gen. Relativ. Gravit.</source> <volume>42</volume>, <page-range>2323</page-range> (<year>2010</year>).<pub-id pub-id-type="coden">GRGVA8</pub-id><issn>0001-7701</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/s10714-010-1034-0</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>4</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. M. Maldacena</string-name></person-group>, <article-title>Eternal black holes in anti-de Sitter</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>04</issue> (<volume>2003</volume>) <page-range>021</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1126-6708/2003/04/021</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>5</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. H. Shenker</string-name> and <string-name>D. Stanford</string-name></person-group>, <article-title>Black holes and the butterfly effect</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>03</issue> (<volume>2014</volume>) <page-range>067</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP03(2014)067</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>6</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. H. Shenker</string-name> and <string-name>D. Stanford</string-name></person-group>, <article-title>Multiple shocks</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>12</issue> (<volume>2014</volume>) <page-range>046</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP12(2014)046</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>7</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. Marolf</string-name> and <string-name>J. Polchinski</string-name></person-group>, <article-title>Gauge/gravity duality and the black hole interior</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>111</volume>, <page-range>171301</page-range> (<year>2013</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.111.171301</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>8</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Hartman</string-name> and <string-name>J. Maldacena</string-name></person-group>, <article-title>Time evolution of entanglement entropy from black hole interiors</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2013</volume>) <page-range>014</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP05(2013)014</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c9"><label>[9]</label><mixed-citation id="c9a" publication-type="journal"><object-id>9a</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>L. Susskind</string-name></person-group>, <article-title>Computational complexity and black hole horizons</article-title>, <source>Fortschr. Phys.</source> <volume>64</volume>, <page-range>24</page-range> (<year>2016</year>); <pub-id pub-id-type="coden">FPYKA6</pub-id><issn>0015-8208</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1002/prop.201500092</pub-id></mixed-citation><mixed-citation id="c9b" publication-type="journal" specific-use="authorjournal"><object-id>9b</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>L. Susskind</string-name></person-group><source>Fortschr. Phys.</source><volume>64</volume>, <page-range>44(E)</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">FPYKA6</pub-id><issn>0015-8208</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1002/prop.201500093</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>10</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S.-K. Jian</string-name>, <string-name>G. Bentsen</string-name>, and <string-name>B. Swingle</string-name></person-group>, <article-title>Linear growth of circuit complexity from Brownian dynamics</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>08</issue> (<volume>2023</volume>) <page-range>190</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP08(2023)190</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>11</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Guo</string-name>, <string-name>M. Sasieta</string-name>, and <string-name>B. Swingle</string-name></person-group>, <article-title>Complexity is not enough for randomness</article-title>, <source>SciPost Phys.</source> <volume>17</volume>, <page-range>151</page-range> (<year>2024</year>).<issn>2542-4653</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.21468/SciPostPhys.17.6.151</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>12</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. M. Magan</string-name>, <string-name>M. Sasieta</string-name>, and <string-name>B. Swingle</string-name></person-group>, <article-title>Random circuits in the black hole interior</article-title>, <source>SciPost Phys.</source> <volume>19</volume>, <page-range>007</page-range> (<year>2025</year>).<issn>2542-4653</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.21468/SciPostPhys.19.1.007</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="misc"><object-id>13</object-id>To our knowledge, related sorts of caterpillars were first discussed by H. Lin and L. Susskind in the different context of exponentially long wormholes arising from a fixed Hamiltonian evolution [13,14].</mixed-citation></ref><ref id="c14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="proc"><object-id>14</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>L. Susskind</string-name></person-group>, <article-title>Inside black holes at exp-time</article-title>, in <source>Talk at Complexity from Quantum Information to Black Holes Workshop</source> (<year>2020</year>), <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.youtube.com/watch?v=OVrMphTSkrE">https://www.youtube.com/watch?v=OVrMphTSkrE</ext-link>.</mixed-citation></ref><ref id="c15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>15</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>L. Susskind</string-name></person-group>, <article-title>Black holes at exp-time</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2006.01280</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>16</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>P. Gao</string-name>, <string-name>D. L. Jafferis</string-name>, and <string-name>A. C. Wall</string-name></person-group>, <article-title>Traversable wormholes via a double trace deformation</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>12</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>151</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP12(2017)151</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>17</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Maldacena</string-name> and <string-name>X.-L. Qi</string-name></person-group>, <article-title>Eternal traversable wormhole</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:1804.00491</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>18</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>W. Cottrell</string-name>, <string-name>B. Freivogel</string-name>, <string-name>D. M. Hofman</string-name>, and <string-name>S. F. Lokhande</string-name></person-group>, <article-title>How to build the thermofield double state</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2019</volume>) <page-range>058</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP02(2019)058</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c19"><label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>19</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Almheiri</string-name>, <string-name>D. Marolf</string-name>, <string-name>J. Polchinski</string-name>, and <string-name>J. Sully</string-name></person-group>, <article-title>Black holes: Complementarity or firewalls?</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2013</volume>) <page-range>062</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP02(2013)062</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c20"><label>[20]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>20</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Almheiri</string-name>, <string-name>D. Marolf</string-name>, <string-name>J. Polchinski</string-name>, <string-name>D. Stanford</string-name>, and <string-name>J. Sully</string-name></person-group>, <article-title>An apologia for firewalls</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>09</issue> (<volume>2013</volume>) <page-range>018</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP09(2013)018</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c21"><label>[21]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>21</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>R. Bousso</string-name></person-group>, <article-title>Complementarity is not enough</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>87</volume>, <page-range>124023</page-range> (<year>2013</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.87.124023</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c22"><label>[22]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>22</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Van Raamsdonk</string-name></person-group>, <article-title>Evaporating firewalls</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>11</issue> (<volume>2014</volume>) <page-range>038</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP11(2014)038</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c23"><label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>23</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>L. Susskind</string-name></person-group>, <article-title>The typical-state paradox: Diagnosing horizons with complexity</article-title>, <source>Fortschr. Phys.</source> <volume>64</volume>, <page-range>84</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">FPYKA6</pub-id><issn>0015-8208</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1002/prop.201500091</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c24"><label>[24]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>24</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. Stanford</string-name> and <string-name>Z. Yang</string-name></person-group>, <article-title>Firewalls from wormholes</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2208.01625</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c25"><label>[25]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>25</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Blommaert</string-name>, <string-name>C.-H. Chen</string-name>, and <string-name>Y. Nomura</string-name></person-group>, <article-title>Firewalls at exponentially late times</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2024</volume>) <page-range>131</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP10(2024)131</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c26"><label>[26]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>26</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>L. V. Iliesiu</string-name>, <string-name>A. Levine</string-name>, <string-name>H. W. Lin</string-name>, <string-name>H. Maxfield</string-name>, and <string-name>M. Mezei</string-name></person-group>, <article-title>On the non-perturbative bulk Hilbert space of JT gravity</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2024</volume>) <page-range>220</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP10(2024)220</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c27"><label>[27]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>27</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>R. Bousso</string-name></person-group>, <article-title>Firewalls from general covariance</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>135</volume>, <page-range>021501</page-range> (<year>2025</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/xl94-k5rj</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>28</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>K. Papadodimas</string-name> and <string-name>S. Raju</string-name></person-group>, <article-title>An infalling observer in AdS/CFT</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2013</volume>) <page-range>212</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP10(2013)212</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c29"><label>[29]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>29</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. R. Brown</string-name>, <string-name>H. Gharibyan</string-name>, <string-name>S. Leichenauer</string-name>, <string-name>H. W. Lin</string-name>, <string-name>S. Nezami</string-name>, <string-name>G. Salton</string-name>, <string-name>L. Susskind</string-name>, <string-name>B. Swingle</string-name>, and <string-name>M. Walter</string-name></person-group>, <article-title>Quantum gravity in the lab. I. Teleportation by size and traversable wormholes</article-title>, <source>PRX Quantum</source> <volume>4</volume>, <page-range>010320</page-range> (<year>2023</year>).<issn>2691-3399</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PRXQuantum.4.010320</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c30"><label>[30]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>30</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Gluza</string-name>, <string-name>J. Son</string-name>, <string-name>B. H. Tiang</string-name>, <string-name>Y. Suzuki</string-name>, <string-name>Z. Holmes</string-name>, and <string-name>N. H. Y. Ng</string-name></person-group>, <article-title>Double-bracket quantum algorithms for quantum imaginary-time evolution</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2412.04554</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c31"><label>[31]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>31</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. J. Sewell</string-name>, <string-name>C. D. White</string-name>, and <string-name>B. Swingle</string-name></person-group>, <article-title>Thermal multi-scale entanglement renormalization ansatz for variational Gibbs state preparation</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2210.16419</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c32"><label>[32]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>32</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. L. Mehta</string-name></person-group>, <source>Random Matrices</source> (<publisher-name>Elsevier</publisher-name>, New York, <year>2004</year>).</mixed-citation></ref><ref id="c33"><label>[33]</label><mixed-citation id="c33a" publication-type="journal"><object-id>33a</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. S. Cotler</string-name>, <string-name>G. Gur-Ari</string-name>, <string-name>M. Hanada</string-name>, <string-name>J. Polchinski</string-name>, <string-name>P. Saad</string-name>, <string-name>S. H. Shenker</string-name>, <string-name>D. Stanford</string-name>, <string-name>A. Streicher</string-name>, and <string-name>M. Tezuka</string-name></person-group>, <article-title>Black holes and random matrices</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>118</page-range>; <pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP05(2017)118</pub-id></mixed-citation><mixed-citation id="c33b" publication-type="journal" specific-use="authorjournal"><object-id>33b</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. S. Cotler</string-name>, <string-name>G. Gur-Ari</string-name>, <string-name>M. Hanada</string-name>, <string-name>J. Polchinski</string-name>, <string-name>P. Saad</string-name>, <string-name>S. H. Shenker</string-name>, <string-name>D. Stanford</string-name>, <string-name>A. Streicher</string-name>, and <string-name>M. Tezuka</string-name></person-group><source>J. High Energy Phys.</source><issue>09</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>002(E)</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP09(2018)002</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c34"><label>[34]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>34</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Cotler</string-name>, <string-name>N. Hunter-Jones</string-name>, <string-name>J. Liu</string-name>, and <string-name>B. Yoshida</string-name></person-group>, <article-title>Chaos, complexity, and random matrices</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>11</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>048</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP11(2017)048</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c35"><label>[35]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>35</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>P. Saad</string-name>, <string-name>S. H. Shenker</string-name>, and <string-name>D. Stanford</string-name></person-group>, <article-title>A semiclassical ramp in SYK and in gravity</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:1806.06840</pub-id>.</mixed-citation></ref></ref-list><app-group><app id="app1"><title specific-use="run-in">Appendix A: Properties of typical equilibrium EPRs—</title><p>In this appendix, we study the ensemble of random purifications <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of a generic equilibrium density matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The states have the form <disp-formula id="da1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A1)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> is an eigenstate of the density matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> with eigenvalue <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are Gaussian random coefficients with zero mean and unit variance. The quantity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a normalization factor. On average over the ensemble, <disp-formula id="da2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A2)</label></disp-formula>The variance, on the other hand, is <disp-formula id="da3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Var</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A3)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>log</mml:mi><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the second Rényi entropy. Since in our cases of interest, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, we can forget about the normalization and consider “annealed averages” for the states normalized only on average. The average reduced density matrices are given by the equilibrium state <disp-formula id="da4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A4)</label></disp-formula>Moreover, for individual instances, the 2-norm distance to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is exponentially suppressed, <disp-formula id="und1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>From here, it directly follows that the 2-norm distance is exponentially small, <disp-formula id="da5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∥</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo minsize="2ex" stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A5)</label></disp-formula>Note, however, that the average 1-norm distance to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, so individual instances are distinguishable from the equilibrium state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></app><app id="app2"><title specific-use="run-in">Appendix B: Exploration via time-independent vs time-dependent Hamiltonians—</title><p>Let us focus on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> qubit system. Consider time-evolving the TFD <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, or explicitly, <disp-formula id="db1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B1)</label></disp-formula>In order to compare this to the exploration via the random quantum circuit, we will diagonalize <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and write the state <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> as <disp-formula id="db2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B2)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> is an eigenvector of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> with eigenvalue <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Finally, we will do the same thing for the typical EPR <xref ref-type="disp-formula" rid="d3">(3)</xref> and express it as <disp-formula id="db3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B3)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> is an eigenvector of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mtext>Haar</mml:mtext></mml:msub></mml:math></inline-formula> with eigenvalue <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this form, the structural similarity between <xref ref-type="disp-formula" rid="db1">(B1)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="db3">(B3)</xref> is clear.</p><p>The eigenvectors <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="db3">(B3)</xref> are i.i.d. random vectors. The eigenphases <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are distributed according to the circular unitary ensemble (CUE) <xref ref-type="bibr" rid="c32">[32]</xref>, <disp-formula id="db4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>CUE</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">!</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B4)</label></disp-formula>In the CUE, the eigenphases are uniformly distributed on average with a strong repulsion given by <disp-formula id="db5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>CUE</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>⊃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B5)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the eigenphase density, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the fluctuation from the mean.</p><p>The question is whether the exploration via time-independent and time-dependent Hamiltonians is able to reproduce these statistical distributions of eigenphases and eigenvectors at sufficiently late times.</p><p>For time-independent Hamiltonians, there are two natural ensembles of states to be considered. One is to fix the Hamiltonian and consider the time evolution trajectory <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>erg</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the uniform long-time measure <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>dt</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Any draw of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>erg</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lives on a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dimensional submanifold of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℋ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of torus topology, characterized by the phases in the energy eigenbasis <xref ref-type="disp-formula" rid="db1">(B1)</xref> (we are neglecting that the global phase is unphysical). Assuming that the spectrum of the Hamiltonian lacks rational relations, the ensemble <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>erg</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> covers this set ergodically, and the long-time distribution of phases is the uniform measure on this torus, <disp-formula id="db6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>erg</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B6)</label></disp-formula>are Poisson distributed.</p><p>The second possibility is to define an ensemble at fixed time, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, by introducing disorder in the time-independent Hamiltonian <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Generally, the draws of the ensemble <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> will explore the full <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℋ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but will never become typical EPRs in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In order to see this, consider a general spectral distribution for the eigenvalues of the Hamiltonian <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which may universally include eigenvalue repulsion. Essentially, without an extreme fine-tuning, at late enough times, the distribution of phases <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>mod</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the entangled state <xref ref-type="disp-formula" rid="db1">(B1)</xref> follows <xref ref-type="disp-formula" rid="db6">(B6)</xref>. The reason is that, at timescales comparable with the mean level spacing of the Hamiltonian, the eigenphases <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> will have wound around the unit circle so many times that all correlations between the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>’s will be erased. Thus, no matter which of the two ensembles we consider, the exploration via time-independent Hamiltonians does not generate typical EPRs.</p><p>On the other hand, the ensemble <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> generated with the random quantum circuit will have a statistical distribution of phases <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, distributed according to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> which, at infinite times, converges weakly to the CUE <xref ref-type="bibr" rid="c11">[11]</xref>, <disp-formula id="db7"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>⟶</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>CUE</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B7)</label></disp-formula>Likewise, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> will define a distribution of eigenvectors that converges weakly to the random state distribution.</p><p>All of these differences are quantified by the frame potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For the ensemble of typical EPRs <xref ref-type="bibr" rid="c10 c11 c12">[10–12]</xref>, <disp-formula id="db8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">!</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B8)</label></disp-formula>The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th frame potential is controlled by the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th moment of the CUE, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>CUE</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>For the ensemble <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>erg</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the frame potential is a purely spectral quantity. It is controlled by the long-time average of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>th spectral form factor <xref ref-type="bibr" rid="c33">[33]</xref>, i.e., its plateau value, which for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <disp-formula id="db9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>erg</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">!</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B9)</label></disp-formula>where in the last equality we have used the spectral ergodicity of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> to evaluate the long-time average. Already for the second moment (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>), the frame potential differs from <xref ref-type="disp-formula" rid="db8">(B8)</xref> by factors of the dimension, which signals that the distribution of phases in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>erg</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> fails to incorporate the eigenphase repulsion <xref ref-type="disp-formula" rid="db5">(B5)</xref>. A similar conclusion follows for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> at late enough times <xref ref-type="bibr" rid="c34">[34]</xref>.</p><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the frame potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is also a purely spectral quantity. In this case, it corresponds to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>th spectral form factor of the random quantum circuit, which at late times converges to the CUE value <xref ref-type="bibr" rid="c10 c11 c12">[10–12]</xref>, <disp-formula id="db10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>⟶</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ℰ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EPR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B10)</label></disp-formula>The quantity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> was, in fact, analyzed in <xref ref-type="bibr" rid="c35">[35]</xref> as a generalization of the spectral form factor to a periodically driven Brownian SYK model.</p></app></app-group></back></article>
