时空曲率对量子效应的影响

We plan to carry out, in this project, a through and systematic investigation on the influences induced by the spactime curvature on quantum effects already existing in flat spacetime, using the DDC formalism for the interaction between atoms and fields, the framework of open quantum systems and theory of macroscopic quantum electrodynamics. Our research includes the radiative properties of atoms (e.g, spontaneous excitation and energy level shifts), the creation of quantum entanglement　between two independent atoms and the geometric phase in a variety of curved spacetime backgrounds such as Reissner-Nordstr?m, Kerr, Kerr-Newman and De Sitter spacetime . We hope to reveal the physical phenomena and their laws that result from a combination of general relativity and quantum theory, answer　what influences the spacetime curvature can exert on the quantum phenomena already known in flat spacetime, what corrections it can cause to the quantum effects in flat spacetime and whether these influences and correction can be observable, so as to provide valuable results for a deeper understanding of relativity and quantum theory which are two pillar of physics and even for the quantization of gravity.

本项目拟利用研究原子与场相互作用的DDC方法，开放量子系统方法以及宏观量子电动力学方法全面、系统地对时空曲率对平直时空中一些已知量子效应的影响进行研究，这包括多种弯曲时空背景（Reissner-Nordstr?m, Kerr, Kerr-Newman 以及De Sitter时空）中原子的辐射性质（如自发激发与能级移动），量子纠缠的产生，几何相等的研究。我们希望通过本项目的研究揭示引力理论(广义相对论)与量子论融合可能导致的物理现象与规律，回答时空曲率对平直时空我们熟知的量子现象会带来什么影响、对量子效应会产生什么修正，以及这些影响或者是修正是否可以被检验？?为我们深入理解相对论与量子论这物理学的两大支柱，乃至为引力理论的量子化提供具有重要参考价值的结果。

本项目利用研究原子与场相互作用的DDC方法，开放量子系统方法以及宏观量子电动力学方法对时空曲率对平直时空中一些已知量子效应的影响进行了研究，这包括弯曲时空背景中原子的辐射性质（如自发激发与能级移动），量子纠缠动力学，几何相和量子精密测量等。项目取得以下主要结果：（1）将Dalibard, Dupont-Roc 和Cohen-Tannoudji（DDC）发展的方法从热平衡推广到非热平衡；从单原子推广到了两原子情况；从平直时空推广到了宇宙弦时空，并研究了稳态非热平衡情况下介质表面附近原子的Casimir-Polder和 顺磁原子的Casimir-Polder力；计算了共动加速系下两对称或反对称纠缠态关联的二能级匀加速原子间的共振相互作用能，研究了与一无限长直宇宙弦平行方向匀加速运动的二能级原子的平均能量变化率，发现了这些情形下Casimir-Polder力，共振相互作用能和原子的平均能量变化率的一些独特性质。（2）研究了多种情形下（包括不同原子初态、不同加速方式、不同极化原子等）加速原子的量子纠缠动力学和几何相，揭示了原子量子纠缠和几何相在不同物理条件下的演化规律。（3) 研究了与真空中涨落电磁场耦合的原子初态参数和原子跃迁频率量子Fisher信息在有边界时的动力学。我们发现，没有边界时，真空涨落总是使量子Fisher信息减少从而降低参数测量的精度。但是边界的存在时，量子Fisher信息将依赖于原子的位置和极化，因此，与无边界情形相比较量子Fisher信息可以得到增强，在特定情况下真空涨落对量子Fisher信息的影响甚至可以被屏蔽掉。