旋量凝聚体的光耦合特性及量子涨落

冷原子气体奇异相和量子动力学的研究是量子调控领域的热点之一，始终处于国际科学研究前沿领域。本项目主要围绕冷原子气体以及光晶格中原子系统的物理特性进行了研究，运用量子多体理论以及量子蒙特卡罗方法主要研究了以下几方面的内容： （1）由铁磁性原子和反铁磁性原子组成的旋量凝聚体混合物的基态破碎特性，设计了一种在磁场中捕获“超破碎凝聚态”的方案。 （2）运用改进的量子蒙特卡罗方法对含配对隧穿玻色哈伯德模型进行了研究，集中讨论了配对超固体相，给出相变的普适类和临界指数，这些是平均场方法做不到的。 （3）我们从理论上设计一种激光驱动三束缚原子在光晶格上隧穿的方案，推导出相应的三体隧穿理论模型，给出三聚体超流的实验存在的参数范围，并在理论上模拟了三聚体超流相和其它相之间的相变特征。 （4）为了寻找三体超流相和三体超固体相, 我们把冷原子注入到二维光晶格中, 其配位数z大于一维晶格。我们系统地分析了二维正方晶格(z=4), 二维三角晶格(z=6), 和三维正方晶格(z=6)，并给出三体超流和超固体的存在范围和条件。 （5）旋量凝聚体的量子涨落及自旋压缩，大多数自旋压缩的课题都是以角动量表象作为基矢， 但是其局限性比较明显， 哈密顿量中的各项必须可以由角动量算符表示才行。我们将问题推广到粒子数表象，即可以在哈密顿量中添加任意形式的算符，丰富了问题研究的多样性。 本项目已按计划完成。自承担项目以来，我们已在国际学术期刊 Phys. Rev. A 上发表论文3篇，Phys. Rev. B上发表一篇。 其它工作成果已基本完成，相关论文预期在2016年发表。项目研究对我们进一步认识冷原子气体的量子特性、探索量子多体物理的基本模型具有重要意义，对冷原子物理的发展有创新性的理论科学价值。

利用激光电场的极化效应，可以囚禁各种自旋状态的原子，从而实现一个崭新的量子自旋体系- - 旋量玻色凝聚体。它既具备超流性，但是由于自旋自由度的解放，又携带着非常丰富的磁学效应，再加上凝聚体本身的光学特性，使得旋量凝聚体在分数量子霍尔效应，微弱磁场测量，量子模拟，新型光学器件等实际应用方面有着广泛的前景。本项目研究具有丰富内部自由度的超冷玻色凝聚体的光场自旋轨道耦合和量子涨落特性。结合世界范围内旋量凝聚体实验方面取得的进展，选择自旋为1的旋量凝聚体作为对象，运用量子多体理论，规范理论主要研究两个方面的内容：（1）光场作用实现的的自旋轨道耦合及其对凝聚体自身拓扑性质的影响，（2）旋量凝聚体混合物的量子涨落及调控。我们关注两个新颖的物理现象，即自旋混合动力学的光学响应和自旋压缩与涨落膨胀，其实现和调控可以加深人们对旋量凝聚体的量子特性的认识，检验量子多体物理的基本模型。

量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基本特性。除此之外，纳米材料还有在此基础上的介电限域效应、表面缺陷、量子隧穿等。这些特性使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常现象”。例如金属为导体，在低温时纳米金属微粒由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；一般PbTiO₃，BaTiO₃和SrTiO₃等是典型铁电体，但当其尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；铁磁性的物质进入纳米尺度（～5nm）时，由多畴变成单畴，于是显示极强顺磁效应；当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成了纳米陶瓷时，已不具有典型共价键特征，界面键结构出现部分极性，在交流电下电阻很小；化学惰性极高的金属铂制成纳米粒子（铂黑）后，却成为活性极好的催化剂；金属由于光反射现象呈现出各种美丽的颜色，而金属的纳米粒子光反射能力显著降低，通常可低于1%，由于小尺寸和表面效应使纳米粒子对光吸收表现极强能力；由纳米粒子组成的纳米固体在较宽谱范围显示出对光的均匀吸收性，纳米复合多层膜在7～17GHz频率的吸收峰高达14dB，在10dB水平的吸收频宽为2GHz；颗粒为6nm的纳米Fe晶体的断裂强度较之多晶Fe提高12倍；纳米Cu晶体自扩散是传统晶体的10¹⁶至10¹⁹倍，是晶界扩散的10³倍；纳米金属Cu的比热是传统纯Cu的两倍；纳米固体Pd热膨胀提高一倍；纳米Ag晶体作为稀释致冷机的热交换器效率较传统材料高30%；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩是普通金属的1/2 。2100433B

由于超导量子比特大的偶极矩和固态腔小的腔模体积，电路量子电动力学(QED)系统中的耦合强度可以达到与玻色子频率可比拟甚至大于的程度。在这一极强耦合参数范围，传统的旋波近似不再适用，系统展现出一种新的物理图像。本项目拟研究极强耦合条件下电路QED系统中的量子信息处理。利用广义旋波近似和Van Vleck微扰理论等方法研究多个超导量子比特与传输线腔的极强耦合，利用光刻技术和外加驱动场技术控制超导量子比特与传输线腔相互作用，制备多比特纠缠态。通过对超导量子比特、传输线腔以及外加驱动场的控制，实现多个超导量子比特间的可控耦合。研究极强耦合条件下实现两比特超快量子逻辑门的方案，给出方案在实验上的可行性参数。本项目拟从理论上给出多个超导量子比特极强耦合模型系统的解析解，并将这些解析解用于构造超快量子逻辑门、制备纠缠态，实现超快的量子信息处理。本项目的研究内容具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

由于超导量子比特大的偶极矩和固态腔小的腔模体积，电路量子电动力学(QED)系统中的耦合强度可以达到与玻色子频率可比拟甚至大于的程度。在这一极强耦合参数范围，传统的旋波近似不再适用，系统展现出一种新的物理图像。本项目研究极强耦合条件下电路QED系统中的量子信息处理，主要包括极强耦合条件下实现两超导量子比特超快控制相位门和iSWAP门以及超导量子比特纠缠态的制备和可控耦合。研究了由超导电荷量子比特和磁通量子比特通过大约瑟夫森结耦合的物理模型中的纠缠特性，研究了该方案中电荷比特和磁通比特的最大纠缠态的制备和保持，给出了方案在实验上的可行性参数，结果显示可制备宏观爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）态和实现快速纠缠过程。研究了两超导电荷量子比特与压缩相干态相互作用的纠缠特性。研究结果对于理解和发展宏观量子纠缠、量子非定域性等量子力学基本原理具有重要的理论意义。 2100433B