基于旋量玻色－爱因斯坦凝聚的量子磁力计

Spin-1 Bose-Einstein condensates (BECs) have a great potential in applications in precision measurement, quantum physics, quantum computing and quantum information processing. However, spin coherence time in these spinor BECs is much shorter than the lifetime of the condensates, as shown in recent experiments with possible decoherence sources of stay magnetic fields. In this project, we work together with experimental groups to investigate the spin decoherence in the ferromagnetic spin-1 BECs, due to the fluctuation of the external fields. By adopting the full quantum theory beyond the mean field theory under the single spatial mode approximation, we investigate the effects of the stray magnetic fields on the spin decoherence of a ferromagnetic spin-1 BEC, focusing on the quantum processes like the preparation of the correlated quantum states (Twin-Fock / squeezed states) and the quantum manipulations which are related to a magnetometry. We develop and design special quantum control protocols to suppress the negative effects of the stray magnetic fields in experiments, in order to improve the sensitivity of a quantum precision magnetometer based on the spinor BECs to the Heisenberg limit. The results obtained in this project lay a theoretical physical foundation for further explorations, such as enhancement of the quantum coherence and developing practical quantum magnetometers based on spinor BECs.

自旋1的旋量玻色－爱因斯坦凝聚在精密测量、量子物理、量子计算和量子信息等方面有重要的潜在应用价值。然而近期的实验结果表明，该体系量子关联态的退相干时间远远小于玻色－爱因斯坦凝聚体的寿命，其中的退相干因素和退相干机制可能来源于随机磁场噪声。本项目将结合实验现象，在铁磁性的自旋1旋量玻色－爱因斯坦凝聚中，采用超越平均场理论的单模近似全量子理论，探讨磁场噪声对体系自旋动力学过程的影响，主要集中在与磁力计相关的量子关联态（双数态/压缩态等）制备以及量子操控等动力学过程。我们将针对性地发展和设计量子调控方案，在实验条件下抑制磁场噪声的负面效应，提高基于旋量玻色-爱因斯坦凝聚的量子精密磁力计灵敏度，争取达到海森堡极限。本项目的研究将为未来加强该体系的量子相干性、开发和设计实用的基于该体系的量子磁力计，奠定必要的理论基础。

自旋1的旋量玻色－爱因斯坦凝聚在量子精密测量方面有重要的潜在应用价值，但是该体系的量子纠缠态的退相干时间远远小于玻色－爱因斯坦凝聚体的寿命，其中的退相干因素和退相干机制主要来源于随机磁场噪声。...通过本项目的实施，我们从理论上提出抑制实验室磁场噪声的量子调控方案。数值模拟结果表明，在各个阶段量子调控方案对磁场噪声的抑制效果明显，有望实现基于旋量玻色－爱因斯坦凝聚的磁力计，且该磁力计的测量灵敏度能够接近海森堡极限。...我们首先在单模近似下研究磁场噪声对制备量子纠缠和自旋压缩态的影响。给定体系的相干态初态，通过量子相变/双轴压缩制备旋量玻色-爱因斯坦凝聚的双数态/自旋压缩态。在实验条件下，我们比较双数态/自旋压缩态产生的成功概率对磁场噪声的依赖关系，并进行理论分析。然后我们提出量子调控方案，抑制磁场噪声的影响，提高制备方案的鲁棒性。其次，我们研究了磁场噪声以及调控脉冲误差对旋量玻色－爱因斯坦凝聚的180°旋转等量子操作的影响。对给定的量子自旋压缩态，通过数值模拟研究其含时演化，确定磁场噪声的方向和强度对量子操作的具体效应。针对发现的规律，我们采用动力学纠错的量子调控方案，可以抑制磁场噪声的负面影响，提高量子操作的精准度（<0.1%）。最后，我们研究了随机磁场涨落对铁磁相互作用的自旋1 旋量玻色－爱因斯坦凝聚的拉莫尔相位积累的退相干效应。对于给定的自旋压缩初态，我们开发了全新的量子调控方案，提出相位续接的方法，在抑制磁场噪声的同时大幅提高了弱磁场测量的灵敏度。...本项目的研究成果将为未来增强旋量玻色－爱因斯坦凝聚体的量子相干性、开发和设计实用的基于该体系的量子磁力计，奠定必要的理论基础。