冷原子分子和人工量子结构中一些精密测量和量子模拟问题的理论研究

Following the fast experimental development, it is now possible to fine-tune the internal states and external environment of a wide range of quantum systems, such as cold atoms and molecules, superconducting circuits, array of cavities, opto-mechanical system etc., with unprecedented accuracy. The long quantum coherence time and high controllability of these systems make them ideal platforms for studying the precision measurements and quantum simulations. In the proposed project, we plan to investigate theoretically the precision measurement and quantum simulation physics in cold atomic/molecular gases and artificial quantum devices. The main topics of this project include quantum metrology of ultracold atomic gases, precision measurement techniques based on cold atomic/molecular gases, few-body physics of ultracold atoms/molecules, noise control in hybrid quantum systems, and quantum simulations with dipolar quantum gases, ultracold atomic gases in cavity, and artificial quantum devices. We hope that our studies may shed light on our understanding of quantum metrology theory, develop new methods for precision measurement, find new control knobs of interactions, unveil novel quantum phases, and eventually stimulate the experimental activities along this line.

随着实验技术的飞速发展，人们实现了在前所未有的精度上对冷原子分子、超导线路、光学腔阵列、纳米机械振子等量子体系的内部状态和外部环境进行操控。这些体系所具有的超长量子相干性和良好的可操控性使得他们成为研究精密测量和量子模拟的理想平台。本项目中，我们将以冷原子分子气体和人工量子结构为平台，围绕精密测量和量子模拟这两个主题，从理论上研究超冷原子气体的量子度量学理论、基于冷原子分子气体的精密测量技术、超冷原子分子气体中的少体物理、复合系统中量子态操控过程中的噪声控制、光腔中超冷原子气体的量子模拟、偶极量子气体的量子模拟以及人工量子结构中的量子模拟等问题。我们希望通过这些研究可以加深对量子度量学理论的认识、发展新的精密测量方法、改进相互作用调控手段以及发现新的量子相，并最终对实验研究产生积极的指导作用。

本项目围绕着超冷原子分子气体和人工量子器件上的量子模拟与精密测量开展研究，在发展剪裁量子体系的新手段，发掘量子模拟新体系，发现量子系统中的新物态，寻找精密测量新方法以及发展处理量子气体的新理论等方面的研究中取得了多项成果，并产生了重要的国际影响。代表性成果如下：1）从理论上提出适用于(类)碱土金属原子的轨道Feshbach共振的概念并得到实验验证，实现了对碱土金属原子间相互作用的有效调控；2）提出了在基于碱土金属原子气体和极性分子气体的量子模拟，并给出了在前者中实现对受对称性保护的拓扑量子态和具有 SU(N)对称性的哈伯德模型的模拟，以及在后者中实现转动态的旋量凝聚体和自旋轨道耦合极性分子气体的方法；3）发现在具有自旋轨道耦合与长程相互作用的凝聚体中可以实现具有手征性的超固体，提出在旋量凝聚体中利用多能级振荡实现高效制备Dicke态和孪生数态的方法；4）在发展精密测量新方法上，提出利用偶极旋量凝聚体实现一个测量精度满足海森堡标度率的非线性干涉仪的方法；5）利用高斯态方法研究弱吸引相互作用下的囚禁玻色-爱因斯坦凝聚体的基态和集体激发，发现该体系的量子多体基态为压缩真空态，并且在此之上的集体激发是稳定的。本项目在Physical Review系列期刊共发表论文50余篇，其中包括5篇PRL。其它期刊论文还包括1篇Sci. Bull.以及2篇综述。在人才培养方面，在本项目的资助下共培养16名博士；项目组成员张威教授获基金委优秀青年科学基金和长江学者奖励计划青年学者资助，王颖丹研究员2015年获卢嘉锡青年人才奖，周兰教授获得第十六届“湖南青年五四奖章”。在国际合作与交流上，参与举办重要国际会议5次，国际会议大会邀请报告7次。