掺杂原子在偶极原子玻色-爱因斯坦凝聚体中的新奇量子效应及其应用研究

With a high degree of controllability of atomic Bose-Einstein condensate (BEC) and the continuous development of control and detection technology at the level of single atom, a system of impurity atoms doped-atomic BEC has become an important platform for displaying and discovering novel quantum effects. Novel quantum effects of impurity atoms in atomic BEC with small magnetic dipole moment are mainly studied at present, while the novel quantum effects of impurity atoms in dipolar atomic BEC need to be explored. We find that controlling the dipolar interaction of the dipolar atomic BEC can make impurity atoms exhibit very strong non-Markovian effect. On the basis, this project will construct various models for the impurity atoms doped-dipolar atomic BEC system and study the novel quantum effects of impurty atoms in dipolar atomic BEC such as non-Markovian effect, Casimir effect and polaron effect. We will reveale a physical machine for generating and manipulating these quantum effects, explore the relationship between these novel quantum effects and various properties of the dipolar atomic BEC, and propose several theoretical schemes for non-destructively measuring the BEC properties with high precision via the impurity atoms. Implementation of this project is of great significance to display and discover novel quantum effects, promote the research of dipolar atomic BEC, and develop high-precision measurement technology.

基于原子玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的高度可控性和单原子水平上的操控、探测技术的不断发展，掺杂原子-原子BEC系统成为展示和发现新奇量子效应的一类重要平台。目前主要研究掺杂原子在磁偶极矩较小的原子BEC中的新奇量子效应，而掺杂原子在偶极原子BEC中的新奇量子效应还有待挖掘。我们发现调控偶极原子BEC的偶极相互作用会使得掺杂原子表现出很强的非马尔科夫效应。本项目在此基础上，针对掺杂原子-偶极原子BEC系统，构建各类模型，研究掺杂原子在偶极原子BEC中的新奇量子效应，如非马尔科夫效应、卡西米尔效应、极化子效应等，揭示产生和操控这些量子效应的物理机制,探寻这些量子效应与偶极原子BEC各种性质的内在联系，提出利用掺杂原子无破坏、高精密测量偶极原子BEC各种性质的若干理论方案。本项目的开展对展示和发现新奇量子效应、推动偶极原子BEC的研究、发展高精密测量技术具有重要意义。

本项目围绕掺杂原子-原子玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)系统，按研究计划开展了系列研究，主要取得了如下有科学价值的研究成果。(1)当系统温度趋向于绝对零度时，一般测量温度时的误差会发散。因此如何精密测量趋于绝对零度时的温度是当前一个具有挑战性的问题。我们基于掺杂原子-原子BEC系统提出了一个理论方案，避免了当原子BEC的温度趋向于绝对零度时，测量误差发散的问题。我们利用杂质量子比特作为测量原子BEC温度的量子传感器。传感精度用量子信噪比（QSNR）度量。数值计算表明存在一个最优的编码时间使得QSNR达到最大值。降低量子比特和BEC之间的耦合强度能提升最大的QSNR。特别地，在弱耦合极限下，所有温度对应的最大QSNR都提升到同一个有限的数值。这意味着在弱耦合极限下，当温度趋向于绝对零度时，QSNR不会趋向于零，因而测量误差不会发散。在欧米伽密度谱近似下，我们得到了QSNR的解析表达式，成功地解析了上述数值结果。该工作为精密测量趋于绝对零度的原子BEC温度铺平了道路。(2)利用掺杂量子比特的退相位动力学精密测量所研究系统的各种参量是当前研究的一个热点。对于标准的退相位模型，系统的信息只编码在量子比特的非幺正项中。我们基于掺杂原子-原子BEC系统提出了一个一般的退相位模型。在这个模型中，BEC的信息不仅可以编码到非幺正项中，还可以编码到幺正项中。我们发现在精密测量BEC的s-波散射长度时，在长时间条件下，相比于非幺正项，幺正项在测量的过程中起主导作用。该工作为利用量子比特的退相位动力学精密测量所研究系统的各种参量拓宽了道路。(3)我们研究了如何利用掺杂量子比特精密测量光学腔与偶极原子BEC之间的耦合强度。度量测量精度的量子费舍信息主要和腔场的耗散率，输入的量子态，输入强度有关。发现当腔场耗散率较小时，利用量子比特测量腔与BEC的耦合强度的精度都能达到海森堡极限。