冷原子的快速非绝热操控及其应用

Shorcuts to adiabaticity have been recently proposed to accelerate "slow" quantum adiabatic proecess, to achieve fast and robust quantum state preparation and control. Up to now,the techniques have been applied to various processes such as fast atom cooling, ion transport, population transfer and spin control, and become the hot topic in the fields of atom physics, quantum optics, quantum control and quantum information. The main purpose of this project is to apply the shortcuts to adiabaticity in fast non-adiabatic control of atoms, achieve the optimal design of atoms (ions) transport and seperation, in presence of perturbation and noise, and discuss their applications in quantum information, sicnece and technology. During the four-year project, we may achieve the following three main results: (1) to propose new method of fast atom cooling or transport in presence of noise and pertubation, and discuss the applications of quantum heat engine and atom waveguide; (2) to propose the fast ion transport and seperation, related to the recent experiements, and clarify their applications in quantum gate operations; (3) to illustrate the effect of spin-orbit coupling on fast nonadiabatic process of cold atoms, and propose the principle of atomic transistor and diode.

近年来，申请人及其合作者提出了量子绝热捷径技术，加快量子绝热"慢"过程，用于实现快速、高保真的量子态制备和操控。目前，量子绝热捷径技术已被广泛应用于原子冷却，离子转移，布居数转移和自旋操控等，逐渐成为原子物理、量子光学、量子控制和量子信息等领域的热点问题。在此基础上，本项目旨在将量子绝热捷径技术应用于原子快速非绝热操控中，实现微扰和噪声情况下原子(离子)转移和分离等最优化设计，并探讨其在量子信息、科学与技术中的应用。通过四年的工作，拟取得以下三方面的成果：（1）提出不同微扰和噪声影响下原子快速冷却或转移的方法，并讨论其在量子热机和原子波导等方面的应用；（2）提出与实验条件相符的离子快速转移和分离方法，并探讨其在量子门操作中的应用；（3）揭示自旋轨道耦合对冷原子非绝热操控的影响，并提出实现快速原子晶体管和二极管的原理。

本项目围绕量子绝热捷径技术在原子冷却/转移等量子信息处理过程中的应用开展研究，促进了量子物理和量子信息等基础和应用领域的交叉融合。至今发表SCI论文29篇，包括1篇Nature Comm.; 13篇Phys. Rev. A; 3篇 Sci. Rep.; 3篇Opt. Express等, 授权专利1项。主要成果有:(1) 提出了受激拉曼绝热捷径的新方案,巧妙地采用修正绝热波形的手段代替辅助微波，从而可以避免微波带来的问题。与南大朱诗亮等合作，国际上首次实验实现了三能级系统的绝热捷径过程，并获得2016年重要光学成果奖。 (2) 设计中性原子和离子的快速高保真的转移及最优化。对量子信息处理及原子干涉仪等具有重要的意义。 (3) 研究了二能级量子态的快速操控及其应用。提出了噪声和扰动影响下布局数反转的优化操控,并应用于集成耦合光波导和铌酸锂晶体光偏振器的设计。利用量子无摩擦动力学和反控制方法提出了自旋纠缠态的快速制备及自旋轨道耦合BEC中的相干操控。 (4) 推广量子绝热捷径技术至非线性系统。得到了非线性二能级系统时间优化的解析解，可以用于光晶格BEC和非线性耦合波导的操控；结合变分法和反控制方法提出了BEC孤子的快速高保真压缩，并应用于量子热机。这些结果对于量子态的快速相干超快及其在量子信息技术的应用至关重要，目前量子绝热捷径技术已经成为研究热点，得到了国内外实验小组的广泛关注和验证。