量子关联及其在多体系统中量子相变刻画和量子模拟中的应用

Recent experiments on trapped cold atomic gases have raised intriguing fundamental questions regarding the nonequilibrium dynamics of correlated many-body quantum systems. In particularly, experimental realizations of one-dimensional Ising spin chains have been reported in an optical lattice, where a quantum simulation of the system in the vicinity of quantum phase transition is possible.This project will investigate nonequilibrium quantum characteristics、quantum phase transition in driven many-body spin systems and its quantum simulation with cold atoms, reveal the physical mechanism of high temperature nonequilibrium quantum entanglement and quantum correlations, to discuss the effects of the intensity and frequency and construct appropriate driven methods to optimize;explore the relations of nonequilibrium quantum phase transition and quantum information physics,and give the nonequilibrium quantum critical scaling; simulate different spin models to invistigate the novel physical effects and rich (topological)quantum phase transition in this syetems,and further discuss some experimental methods for detecting the phases. The above studies will allow one to explore novel characteristics of matter and effective interactions which are absent in equilibriums.

最近囚禁冷原子气体实验提升了关联多体量子系统非平衡动力学这个有趣的基本问题的研究，而且实验上实现一维反铁磁Ising自旋链模型已经在光晶格冷原子体系中提出，使得量子相变附近的系统量子模拟变成可能。本项目拟基于驱动多体系统开展量子关联、量子相变和量子模拟密切相关的课题研究，揭示高温下非平衡量子纠缠和量子失谐（discord）的物理机制，讨论驱动强度和频率的影响以及构造恰当的驱动方式进行优化的方法；探索非平衡量子相变与量子信息物理量的关联问题，给出非平衡下的量子临界标度；基于光晶格冷原子体系去模拟不同的自旋模型，研究系统中新奇的物理效应和丰富的（拓扑）量子相变，给出实验上的探测方法。上述的研究将有利于我们去探索平衡态下不存在的物质新奇的特性以及有效的相互作用。

量子纠缠和量子失谐、量子相变和几何相的关系、冷原子光晶格系统中的量子模拟，是量子信息和量子计算领域的重要研究课题。在本项目中，首先研究了两个量子比特中的量子纠缠与量子失协，发现通过调节外界的参数可以很好的操纵量子关联；对于具有长程相互作用的多体系统，给出几何相位的导数在相变点附近是非解析的，可以通过几何相位来探测量子相变；进一步对于一维的各项异性自旋链系统，通过与斜信息研究和表征量子临界性以及因子分解现象；然后提出了一种在光学晶格系统中去探测拓扑的布洛赫边带简单的方案，拓扑的特性可以通过光晶格中的瓦尼尔函数的中心位置来验证；然后通过解析和数值的方法研究二维自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的暗孤子动力学产生；最后通过驻波控制场来调节探测场的性质，研究了磁场对分子磁体系统的调制作用； 在含有PT对称势的周期性结构中，通过研究前后传播光的相互作用，发现PT对称势的引入可以有效改变周期性结构的能带，并影响系统的反馈机制。