驱动少阱中少原子隧穿动力学的相干控制

The interaction betweeen laser field and atom is an effective way to control the motion of atom, and the coherent control of tunneling dynamics for few atoms in a few-well system driven by laser field has become a very important research branch. Applying the Floquet thoery in our project, we investigate the quasienergy spectrum structure, quantum Floquet and non-Floquet states of a driven few-Boson system by analytical and numerical methods. By the analysis of Floquet thoery, we show the qunatum tunneling properties of few atoms as the driving parameters are adjusted into classically regular and chaotic regions respectively and elucidate the relation between the chaos of calssical system and the tunneling dynamics described by the full-quantum model. Simultaneously, we analyze the parameter region that exhibit the single atom tunneling and correlated pair tunneling in few-atom system with interatomic interaction, and get an insight into the influence of competition among the interatomic interaction, the dissipation induced by external environment and the driving field on quantum tunneling of atom. For different driving parameters, we reveal the quantum properties of few atoms, such as quantum fluctuation,quantum entanglement and fidelity of quantum state,etc. Further, based on our results, we propose corresponding scheme that how to realize the coherent control of tunneling dynamics for few atoms in a driven few-well system by adjusting laser field, and analyze the practical applications of these schemes in the quantum information processing and design of new atomic device, etc.

激光场与原子相互作用是控制原子运动状态的有效途径，利用激光场实现少阱系统中少原子隧穿动力学的相干控制已成为量子调控领域一个非常重要的研究方向。本项目拟在Floquet理论框架下，利用解析分析与数值模拟相结合的手段，通过研究驱动少阱中少玻色原子系统的准能谱结构及量子Floquet态与非Floquet态，展示外场参数取在经典规则和混沌区域时原子的隧穿特性，阐明经典系统中的混沌与其全量子化模型所描述的原子隧穿动力学间的关联。分析外场作用下具有相互作用的少原子系统中单原子隧穿与关联对隧穿的参数区域，深入理解原子间的相互作用、外界环境所导致的耗散与外场间的竞争对原子隧穿动力学的影响，揭示不同外场参数区域原子的量子涨落、量子纠缠、以及量子态保真度等量子特征。基于这些研究结果，我们进一步提出如何利用激光场实现少阱中少原子隧穿动力学的相干控制的方案，并分析其在量子信息处理及设计新型原子器件等方面的应用。

进入21世纪，迅速发展起来的几个重大科技领域，无论是化学的选键反应、还是计算机与器件的微型化，均出现了相同的发展需求，即都希望能进行原子的量子操控。激光技术的发展为进行原子的相干控制提供了有效手段，使得激光与原子相互作用的理论与实验研究迅速发展起来并取得了巨大的研究进展。激光场与原子相互作用是控制原子运动状态的有效途径，利用激光场实现光阱系统中冷原子隧穿动力学的相干控制已成为量子调控领域一个非常重要的研究方向。本项目以激光场控制冷原子在光学阱系统中的隧穿为主要内容，对一维驱动双阱、三阱、二维驱动四阱及光晶格等经典混沌系统中原子隧穿的相干控制进行了较系统的理论研究。在Floquet理论框架下，利用解析分析与数值模拟相结合的手段，我们研究了双阱中三个玻色原子的隧穿动力学，在准能谱塌缩点附近得了系统的暗N00N态，并展示了原子的选择性隧穿效应。对于驱动三阱系统，我们深入研究了双原子及多原子的隧穿动力学，分析了势能偏差与原子相互作用的时间调制及原子间的偶极相互作用等对原子隧穿动力学的影响，通过解析得到系统的Floquet态及非Floquet态展示了原子的定向隧穿行为及参数条件。对于外场驱动下四阱单原子系统，我们解析得到了系统的量子态，所得结果提示了在一定的参数条件下原子具有不同路径的选择性隧穿行为，并提出了利用所得结果实现量子开关的理论方案。对于光晶格系统，我们研究了系统的经典相空间结构及相应参数区域原子的量子输运特性。在混沌共振区域，我们发现了混沌帮助原子的退局域化，而在其它混沌区域的参数则导致了原子局域化行为。同时我们分析了光格系统中的相对相位对原子隧穿动力学的影响，提出了相对相位控制原子局域化及定向输运的方案。我们对原子隧穿动力学的相干操控的研究在目前的实验条件下可以得到实验验证，所取得的研究结果为量子信息处理及设计新型原子器件等方面的研究提供了重要的理论参考。