超冷原子腔光机械系统中的量子效应及应用

The use of light forces to control and manipulate the quantum properties of mechanical oscillators can be realized for the case of Bose-Einstein condensates (BECs) in a cavity. Cavity optomechanical system with BECs due to their unique coherence properties and the possibility to yield controlled nonlinearity have attracted much attention, and have been viewed as the ideal sources for quantum information processing and highly sensitive measurements of weak forces at quantum limit. We shall study the effects of the nonlinear dynamics of ultracold atomic gases with cavity-mediated nonlinear interaction as well as the contact interaction and long-range dipole-dipole interaction on the quantum properties of BECs; and investigate how to get the target specific quantum states via continuously monitored the light leaking out of the cavity. We shall also investigate the potential applications of the prepared quantum states on highly sensitive quantum measurements.

玻色-爱因斯坦凝聚体腔光机械系统结合了腔电动力学和超冷原子气体的一些特有的特点，它所带来的丰富的量子效应使得其成为研究量子信息以及量子测量等领域一个很有潜力的载体。本项目将主要研究光腔调节的非线性相互作用以及超冷原子系统中存在的一些非线性相互作用对冷原子系统的量子特性的影响并探讨一些新奇的量子效应。我们也将通过对光腔中泄漏的光子的连续探测并且结合合适的反馈回路来实现原子量子特性的调控以及一些特定目标态的制备。我们还将探讨如何利用这些制备的目标态来构造基于超冷原子系统与光腔耦合形成的光机械系统构成的干涉仪以实现对冷原子系统中的一些物理参数的高灵敏测量。

冷原子-光腔系统由于其可控的非线性相互作用所产生的丰富的量子效应，使得其成为研究量子信息以及量子测量等领域一个很有潜力的载体。本项目主要围绕着如何利用光腔场调节冷原子系统中的一些非线性相互作用来提高物理系统的参数估计精度。相关研究成果主要解决三个比较核心的物理问题：(i)提出了利用玻色- 爱因斯坦气体与光学腔场杂化的光力系统来获得超高精度的参数估计的方案。(ii)实现通过调节自旋1 的偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中的偶极相互作用强度，获得了不同的量子相图。发现在量子相变点附近系统的自旋压缩以及量子纠缠特性可以得到显著的提高。(iii)利用机器学习中的强化学习算法在光腔与原子系综中实现了超强的自旋压缩态的制备和存储。此外，通过与国内其他研究组的合作，本项目还提出了腔光力系统的质谱探测经典弱力的方案，以及囚禁在一维光晶格势中的玻色-爱因斯坦凝聚态气体的动力学问题。