量子参量非线性效应在光腔及原子系统中的模拟和调控研究

This project focuses on theoretical problems related to quantum nonlinear parametric process encountered in quantum simulation and quantum information process. Quantum nonlinear parametric process plays important roles within different branches of physics, ranging from coherent transfer between atoms and molecula, parametric down-conversion of photons, and et.al.. However, due to the limitation of experimental constraints, detailed investigation of this effect related to quantum simulation in quantum regime remains largely unexplored in previous studies. The recent experimental and theoretical progresses in opto-mechanics and cold atoms provides new platforms of investigation these effects in highly controllable manner. Based on our previous research background in quantum optics and atomic physics, in this project, we focus on the investigation of various physics effects related to quantum nonlinear parametric process, including its manipulation in hybrid cavities, or cold atoms, various phase transition physics, and its dynamics. Finally, based on these investigations, the relevant applications in quantum optics and quantum information processing will also be considered.

本项目着重研究量子非线性参量过程在量子调控、量子信息处理中的所涉及的理论问题。量子非线性参量过程在不同物理分支中均有着重要的理论和应用研究价值，如量子化学中的原子分子转化过程，非线性光系统中的参量下转换等。然而由于实验条件的限制，对这一非线性过程在量子效应增强情况下的模拟和调控研究还处于初步。近年来光力和冷原子系统中的理论和实验进展，为模拟和调控这一机制提供了理想的平台。本项目中，我们结合在量子光学中的研究背景，具体在光腔杂糅系统及冷原子系统中，考虑与量子非线性参量过程相关的物理机制的实现和调控，并以此为基础,利用具体理论分析和数值相结合的方法研究其中相关物理过程的调控，量子相变，及动力学等。进一步地，我们将在理论探索的基础上考察这一效应在量子光学和量子信息处理中的相关应用问题。

本项目着重研究非线性效应在量子调控、量子模拟中的实现及相应的理论问题。量子非线性效应在不同物理分支中均有着重要的理论和应用研究价值，如量子化学中的原子分子转化过程，非线性光系统中的参量下转换等。对这一非线性过程的量子模拟和调控研究，对探索各种非线性作用导致的物理机制和可能的新效应均有重要的促进作用。然而由于实验条件的限制，非线性效应一般很弱。本项目中，我们结合在量子光学和冷原子物理中的研究背景，利用具体理论分析和数值相结合的方法，在光腔杂糅系统及冷原子系统中，考虑了量子非线性相互作用导致的各种动力学效应、相变特性，以及奇异物态等。为了突出非线性效应的影响，我们集中关注了冷原子球面系统和光学简并腔系统。这两个系统中由于单粒子简并的存在，非线性作用也最容易呈现出来。我们考察了系统在不同条件下奇异物态的调控，以及非线性效应在其中的影响，如磁单极下的涡旋态的调控和相变，腔内非线性作用下关联光子态的生成等。我们相信，这些研究对具体的物理系统中寻找和制备奇特量子物态有重要的指导意义，并且所得结论和预言也有望在现有的实验条件下进行验证。