有限开放系统的量子相干效应及其应用

In this project we aim to study various novel quantum coherent effects of environment or open finite systems deviating their thermal equilibrium state. Particularly, we will focus on the observable quantum phenomena when the quantum systems or their finite environment are driven to non-equilibrium state. Both fundamental theory of quantum thermal dynamics and applications in artificial systems such as optomechanical systems and quantum coherent devices will be investigated. In close collaboration with experimental groups, we will study (1) energy transfer and information processing of quantum open system in non-trivial environments, (2) quantum thermal dynamics of finite quantum open systems and, particularly, the role of quantum coherence in quantum thermal dynamics, (3) quantum control of solid-state artificial systems (including nano-mechanical systems, superconducting quantum devices, and interacting spin systems, etc.), and their behavior in strongly coupled environment, and (4) quantum optics theory of strongly coupled atomic systems and hybrid system, such as atom blockade, multi-photon effect in coupled cavities, and wave-guide cavity quantum electrodynamics. These investigations will answer the following key questions: in what kind of physical systems and under what conditions, novel non-equilibrium effects with quantum coherence emerge and can be observed; in what kind of process, quantum coherence can affect the quantum thermal dynamical effects; and how to generate, manipulate, protect, and make full use of the non-equilibrium quantum effects in artificial quantum systems.

本项目旨在研究环境或系统偏离热力学平衡时有限开放系统上的各类量子相干效应，从量子物理和统计热力学基础理论的角度，探索它们在人工光能转换器件和量子相干器件方面的可能应用。我们将与国内外的量子模拟实验密切结合，在以下4个方面开展具体工作：(1)研究特殊环境下有限量子开放系统上的能量转换和信息处理；(2)研究量子相干性在量子热力学中的作用，有限系统的非平衡量子热力学；(3)固态人工结构（如微纳机械、超导量子比特和自旋系统）及其强耦合环境的量子调控；(4)强耦合原子系统和杂化系统的量子光学问题，如原子阻塞、耦合腔体中多光子效应以及波导量子电动力学等。我们这些研究的目标是探索什么样的物理系统、在什么样的环境下能够出现具有量子相干性的非平衡稳态；在什么样的过程，量子相干性具有统计热力学效应；怎样通过人工调控产生、保持和利用非平衡稳态中的量子效应。

在项目执行期间，我们按照原定计划开展研究，立足于有限开放系统量子效应的核心问题，以量子热力学基本理论和固态人工微纳结构及强耦合原子系统等实际物理体系为研究方向，进行针对性、实质性的研究合作。我们重点研究了特殊环境下有限量子开放系统上的能量转换和信息处理，以及有限系统的非平衡量子热力学和量子相干性在量子热力学中的作用。在量子光力系统方面，我们系统研究了光力系统中的角速度精密测量和光学二极管三极管等非互易性传输现象，并与实验组合作完成了基于光力系统中光学控制的耦合机械振子开关实验。我们还研究了强耦合原子系统和杂化系统的PT对称和反对称及光子阻塞等量子光学问题。在本项目执行期间，我们在上述领域取得了一系列研究成果，完成了任务书中所有的研究计划，共发表SCI论文221篇，其中Nature Communications 1 篇，Phys. Rev. Lett. 11篇，Phys. Rev. X 1篇，Phys. Rev. Applied 2篇。