旋量凝聚體的光耦合特性及量子漲落結(jié)題摘要

冷原子氣體奇異相和量子動力學(xué)的研究是量子調(diào)控領(lǐng)域的熱點之一，始終處于國際科學(xué)研究前沿領(lǐng)域。本項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)計了一種在磁場中捕獲“超破碎凝聚態(tài)”的方案。 （2）運用改進(jìn)的量子蒙特卡羅方法對含配對隧穿玻色哈伯德模型進(jìn)行了研究，集中討論了配對超固體相，給出相變的普適類和臨界指數(shù)，這些是平均場方法做不到的。 （3）我們從理論上設(shè)計一種激光驅(qū)動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驗存在的參數(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， 哈密頓量中的各項必須可以由角動量算符表示才行。我們將問題推廣到粒子數(shù)表象，即可以在哈密頓量中添加任意形式的算符，豐富了問題研究的多樣性。 本項目已按計劃完成。自承擔(dān)項目以來，我們已在國際學(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。項目研究對我們進(jìn)一步認(rèn)識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，對冷原子物理的發(fā)展有創(chuàng)新性的理論科學(xué)價值。

利用激光電場的極化效應(yīng)，可以囚禁各種自旋狀態(tài)的原子，從而實現(xiàn)一個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)，微弱磁場測量，量子模擬，新型光學(xué)器件等實際應(yīng)用方面有著廣泛的前景。本項目研究具有豐富內(nèi)部自由度的超冷玻色凝聚體的光場自旋軌道耦合和量子漲落特性。結(jié)合世界范圍內(nèi)旋量凝聚體實驗方面取得的進(jìn)展，選擇自旋為1的旋量凝聚體作為對象，運用量子多體理論，規(guī)范理論主要研究兩個方面的內(nèi)容：（1）光場作用實現(xiàn)的的自旋軌道耦合及其對凝聚體自身拓?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)注兩個新穎的物理現(xiàn)象，即自旋混合動力學(xué)的光學(xué)響應(yīng)和自旋壓縮與漲落膨脹，其實現(xiàn)和調(diào)控可以加深人們對旋量凝聚體的量子特性的認(rèn)識，檢驗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“反常現(xiàn)象”。例如金屬為導(dǎo)體，在低溫時納米金屬微粒由于量子尺寸效應(yīng)會呈現(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)量級就會變成順電體；鐵磁性的物質(zhì)進(jìn)入納米尺度（～5nm）時，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，已不具有典型共價鍵特征，界面鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極性，在交流電下電阻很?。换瘜W(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，通常可低于1%，由于小尺寸和表面效應(yīng)使納米粒子對光吸收表現(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。本項目擬研究極強(qiáng)耦合條件下電路QED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超導(dǎo)量子比特與傳輸線腔的極強(qiáng)耦合，利用光刻技術(shù)和外加驅(qū)動場技術(shù)控制超導(dǎo)量子比特與傳輸線腔相互作用，制備多比特糾纏態(tài)。通過對超導(dǎo)量子比特、傳輸線腔以及外加驅(qū)動場的控制，實現(xiàn)多個超導(dǎo)量子比特間的可控耦合。研究極強(qiáng)耦合條件下實現(xiàn)兩比特超快量子邏輯門的方案，給出方案在實驗上的可行性參數(shù)。本項目擬從理論上給出多個超導(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、制備糾纏態(tài)，實現(xiàn)超快的量子信息處理。本項目的研究內(nèi)容具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價值。

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。本項目研究極強(qiáng)耦合條件下電路QED系統(tǒng)中的量子信息處理，主要包括極強(qiáng)耦合條件下實現(xiàn)兩超導(dǎo)量子比特超快控制相位門和iSWAP門以及超導(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，給出了方案在實驗上的可行性參數(shù)，結(jié)果顯示可制備宏觀愛因斯坦-波多爾斯基-羅森（EPR）態(tài)和實現(xiàn)快速糾纏過程。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