基于两类玻色-爱因斯坦凝聚体杂化量子系统的量子力学基本问题研究

Combine an atomic Bose-Einstein condensate (BEC) with a optical cavity or an atomic/ionic impurity to form a BEC hybrid quantum system with the strong coupling.The BEC hybrid quantum systems is providing a ideal platform for studying fundamental problems in quantum mechanics, generating and manipulating various quantum effects, and developing concepts in quantum information processing..due to the superb controllability of both the confining potential geometry and the interatomic interaction. Based two classes of BEC hybrid quantum systems, the cavity BEC hybrid system and the impurity-atom/ion dopped BEC hybrid system, In this project we will investigate physical mechanisms to produce and manipulate quantum coherence of these BEC hybrid systems, propose new schemes to create macroscopic-microscopic and microscopic-microscopic quantum entanglement,reveal new and exotic quantum phenomena in these BEC hybrid systems. We want to develop new theories to control quantum decoherence by making use of a BEC to simulate quantum reservoir of impurities. We will study quantum evolution speed limit time and dynamical evolution of the BEC hybrid systems, and explore possible approach to accelerate dynamical evolution and even reach to quantum evolution speed limit of a quantum system, and reveal connections among quantum coherence, quantum evolution speed limit time, and quantum non-Markovian degree of the reservoir.

由原子玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）与光腔和/或杂质原子结合可以形成强耦合的BEC杂化量子系统。这类量子杂化系统中诸多参数的精确可控性为研究量子力学基本问题、产生和操控量子效应提供了一个理想平台，是当前超冷原子物理、量子物理和量子信息领域的研究前沿。本项目集中针对腔BEC和参杂BEC这两类杂化量子系统,充分利用杂化系统中各组分的量子特性和可操控优势，研究BEC杂化系统量子相干性的产生和操控机理，提出产生和操控宏观-微观和微观-微观量子纠缠的新方法，揭示BEC杂化量子系统中的新奇量子效应。利用BEC的激发模拟量子比特（杂质原子）的环境影响，发展量子消相干和量子速度极限时间的操控理论，提出加快量子系统动力学演化速度甚至实现量子速度极限演化的新方案，揭示量子相干性、量子速度极限时间和环境的非马尔科夫性之间的联系。这些研究对于量子物理和量子信息基础研究具有重要的科学意义和潜在应用价值。

项目背景：包含原子玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的杂化量子系统，由于各子系统中诸多参数以及BEC与各子系统之间的的耦合的精确可控性使其成为研究量子信息和量子力学基本问题的理想平台，是当前超冷原子物理、量子信息和量子力学基本问题研究领域的前沿。研究内容：本项目的主要研究内容是针对腔BEC和掺杂BEC这两类BEC杂化量子系统,充分利用BEC杂化量子系统中各组分的量子特性和可操控优势，研究BEC杂化系统的量子相干性的产生和操控机理，提出产生和操控宏观-微观（宏观）量子纠缠的新方法，揭示项目的背景：BEC杂化量子系统中的新奇量子效应。利用BEC的激发模拟量子比特（杂质原子）系统的环境（库）影响，通过对环境谱密度和量子操控系统的参数调节，发展量子消相干和量子速度极限时间的操控理论，提出加快量子系统动力学演化速度甚至实现量子速度极限演化的新方案。主要研究结果：通过开展该项目研究，在BEC杂化量子系统量子效应的产生、操控、探测以及量子特性和杂化优势的利用等方面形成了若干新的理论观点﹑概念、模型和方法。项目获得的主要创新结果包括：（1）提出了产生和操控宏观-微观（宏观）量子纠缠的掺杂BEC方法、量子腔光力学方法和量子测量方法等三种杂化量子纠缠的新方法；（2）提出了掺杂BEC中单个量子比特量子消相干速度极限的操控模型和利用量子速度极限见证量子相变的新方法；（3）基于腔BEC系统或掺杂BEC系统提出了实现高精度量子精密测量的三种新方案。科学意义：这一项目的开展不仅对研究和发现新奇量子效应﹑探索腔BEC杂化量子系统的量子力学本质特征、量子力学基本问题研究具有重要意义，而且对发展高精密测量技术和量子信息处理技术等未来的高新技术具有重要指导作用。