旋量凝聚體的光耦合特性及量子漲落

冷原子氣體奇異相和量子動(dòng)力學(xué)的研究是量子調(diào)控領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，始終處于國(guó)際科學(xué)研究前沿領(lǐng)域。本項(xiàng)目主要圍繞冷原子氣體以及光晶格中原子系統(tǒng)的物理特性進(jìn)行了研究，運(yùn)用量子多體理論以及量子蒙特卡羅方法主要研究了以下幾方面的內(nèi)容： （1）由鐵磁性原子和反鐵磁性原子組成的旋量凝聚體混合物的基態(tài)破碎特性，設(shè)計(jì)了一種在磁場(chǎng)中捕獲“超破碎凝聚態(tài)”的方案。 （2）運(yùn)用改進(jìn)的量子蒙特卡羅方法對(duì)含配對(duì)隧穿玻色哈伯德模型進(jìn)行了研究，集中討論了配對(duì)超固體相，給出相變的普適類(lèi)和臨界指數(shù)，這些是平均場(chǎng)方法做不到的。 （3）我們從理論上設(shè)計(jì)一種激光驅(qū)動(dòng)三束縛原子在光晶格上隧穿的方案，推導(dǎo)出相應(yīng)的三體隧穿理論模型，給出三聚體超流的實(shí)驗(yàn)存在的參數(shù)范圍，并在理論上模擬了三聚體超流相和其它相之間的相變特征。 （4）為了尋找三體超流相和三體超固體相, 我們把冷原子注入到二維光晶格中, 其配位數(shù)z大于一維晶格。我們系統(tǒng)地分析了二維正方晶格(z=4), 二維三角晶格(z=6), 和三維正方晶格(z=6)，并給出三體超流和超固體的存在范圍和條件。 （5）旋量凝聚體的量子漲落及自旋壓縮，大多數(shù)自旋壓縮的課題都是以角動(dòng)量表象作為基矢， 但是其局限性比較明顯， 哈密頓量中的各項(xiàng)必須可以由角動(dòng)量算符表示才行。我們將問(wèn)題推廣到粒子數(shù)表象，即可以在哈密頓量中添加任意形式的算符，豐富了問(wèn)題研究的多樣性。 本項(xiàng)目已按計(jì)劃完成。自承擔(dān)項(xiàng)目以來(lái)，我們已在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊 Phys. Rev. A 上發(fā)表論文3篇，Phys. Rev. B上發(fā)表一篇。 其它工作成果已基本完成，相關(guān)論文預(yù)期在2016年發(fā)表。項(xiàng)目研究對(duì)我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)冷原子氣體的量子特性、探索量子多體物理的基本模型具有重要意義，對(duì)冷原子物理的發(fā)展有創(chuàng)新性的理論科學(xué)價(jià)值。

利用激光電場(chǎng)的極化效應(yīng)，可以囚禁各種自旋狀態(tài)的原子，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)嶄新的量子自旋體系- - 旋量玻色凝聚體。它既具備超流性，但是由于自旋自由度的解放，又?jǐn)y帶著非常豐富的磁學(xué)效應(yīng)，再加上凝聚體本身的光學(xué)特性，使得旋量凝聚體在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，微弱磁場(chǎng)測(cè)量，量子模擬，新型光學(xué)器件等實(shí)際應(yīng)用方面有著廣泛的前景。本項(xiàng)目研究具有豐富內(nèi)部自由度的超冷玻色凝聚體的光場(chǎng)自旋軌道耦合和量子漲落特性。結(jié)合世界范圍內(nèi)旋量凝聚體實(shí)驗(yàn)方面取得的進(jìn)展，選擇自旋為1的旋量凝聚體作為對(duì)象，運(yùn)用量子多體理論，規(guī)范理論主要研究?jī)蓚€(gè)方面的內(nèi)容：（1）光場(chǎng)作用實(shí)現(xiàn)的的自旋軌道耦合及其對(duì)凝聚體自身拓?fù)湫再|(zhì)的影響，（2）旋量凝聚體混合物的量子漲落及調(diào)控。我們關(guān)注兩個(gè)新穎的物理現(xiàn)象，即自旋混合動(dòng)力學(xué)的光學(xué)響應(yīng)和自旋壓縮與漲落膨脹，其實(shí)現(xiàn)和調(diào)控可以加深人們對(duì)旋量凝聚體的量子特性的認(rèn)識(shí)，檢驗(yàn)量子多體物理的基本模型。

量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)都是納米微粒與納米固體的基本特性。除此之外，納米材料還有在此基礎(chǔ)上的介電限域效應(yīng)、表面缺陷、量子隧穿等。這些特性使納米微粒和納米固體表現(xiàn)出許多奇異的物理、化學(xué)性質(zhì)，出現(xiàn)一些“反?，F(xiàn)象”。例如金屬為導(dǎo)體，在低溫時(shí)納米金屬微粒由于量子尺寸效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)電絕緣性；一般PbTiO₃，BaTiO₃和SrTiO₃等是典型鐵電體，但當(dāng)其尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級(jí)就會(huì)變成順電體；鐵磁性的物質(zhì)進(jìn)入納米尺度（～5nm）時(shí)，由多疇變成單疇，于是顯示極強(qiáng)順磁效應(yīng)；當(dāng)粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成了納米陶瓷時(shí)，已不具有典型共價(jià)鍵特征，界面鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極性，在交流電下電阻很小；化學(xué)惰性極高的金屬鉑制成納米粒子（鉑黑）后，卻成為活性極好的催化劑；金屬由于光反射現(xiàn)象呈現(xiàn)出各種美麗的顏色，而金屬的納米粒子光反射能力顯著降低，通?？傻陀?%，由于小尺寸和表面效應(yīng)使納米粒子對(duì)光吸收表現(xiàn)極強(qiáng)能力；由納米粒子組成的納米固體在較寬譜范圍顯示出對(duì)光的均勻吸收性，納米復(fù)合多層膜在7～17GHz頻率的吸收峰高達(dá)14dB，在10dB水平的吸收頻寬為2GHz；顆粒為6nm的納米Fe晶體的斷裂強(qiáng)度較之多晶Fe提高12倍；納米Cu晶體自擴(kuò)散是傳統(tǒng)晶體的10¹⁶至10¹⁹倍，是晶界擴(kuò)散的10³倍；納米金屬Cu的比熱是傳統(tǒng)純Cu的兩倍；納米固體Pd熱膨脹提高一倍；納米Ag晶體作為稀釋致冷機(jī)的熱交換器效率較傳統(tǒng)材料高30%；納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍，而飽和磁矩是普通金屬的1/2 。2100433B

由于超導(dǎo)量子比特大的偶極矩和固態(tài)腔小的腔模體積，電路量子電動(dòng)力學(xué)(QED)系統(tǒng)中的耦合強(qiáng)度可以達(dá)到與玻色子頻率可比擬甚至大于的程度。在這一極強(qiáng)耦合參數(shù)范圍，傳統(tǒng)的旋波近似不再適用，系統(tǒng)展現(xiàn)出一種新的物理圖像。本項(xiàng)目擬研究極強(qiáng)耦合條件下電路Q(chēng)ED系統(tǒng)中的量子信息處理。利用廣義旋波近似和Van Vleck微擾理論等方法研究多個(gè)超導(dǎo)量子比特與傳輸線(xiàn)腔的極強(qiáng)耦合，利用光刻技術(shù)和外加驅(qū)動(dòng)場(chǎng)技術(shù)控制超導(dǎo)量子比特與傳輸線(xiàn)腔相互作用，制備多比特糾纏態(tài)。通過(guò)對(duì)超導(dǎo)量子比特、傳輸線(xiàn)腔以及外加驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)超導(dǎo)量子比特間的可控耦合。研究極強(qiáng)耦合條件下實(shí)現(xiàn)兩比特超快量子邏輯門(mén)的方案，給出方案在實(shí)驗(yàn)上的可行性參數(shù)。本項(xiàng)目擬從理論上給出多個(gè)超導(dǎo)量子比特極強(qiáng)耦合模型系統(tǒng)的解析解，并將這些解析解用于構(gòu)造超快量子邏輯門(mén)、制備糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)超快的量子信息處理。本項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。

由于超導(dǎo)量子比特大的偶極矩和固態(tài)腔小的腔模體積，電路量子電動(dòng)力學(xué)(QED)系統(tǒng)中的耦合強(qiáng)度可以達(dá)到與玻色子頻率可比擬甚至大于的程度。在這一極強(qiáng)耦合參數(shù)范圍，傳統(tǒng)的旋波近似不再適用，系統(tǒng)展現(xiàn)出一種新的物理圖像。本項(xiàng)目研究極強(qiáng)耦合條件下電路Q(chēng)ED系統(tǒng)中的量子信息處理，主要包括極強(qiáng)耦合條件下實(shí)現(xiàn)兩超導(dǎo)量子比特超快控制相位門(mén)和iSWAP門(mén)以及超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)的制備和可控耦合。研究了由超導(dǎo)電荷量子比特和磁通量子比特通過(guò)大約瑟夫森結(jié)耦合的物理模型中的糾纏特性，研究了該方案中電荷比特和磁通比特的最大糾纏態(tài)的制備和保持，給出了方案在實(shí)驗(yàn)上的可行性參數(shù)，結(jié)果顯示可制備宏觀愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）態(tài)和實(shí)現(xiàn)快速糾纏過(guò)程。研究了兩超導(dǎo)電荷量子比特與壓縮相干態(tài)相互作用的糾纏特性。研究結(jié)果對(duì)于理解和發(fā)展宏觀量子糾纏、量子非定域性等量子力學(xué)基本原理具有重要的理論意義。 2100433B