碱金属热原子气体中的超辐射晶格与合成规范场

The synthesis of gauge field in electrically neutral systems is an important research area in quantum simulation. Gauge field can introduce novel quantum states, such as the edge states in topological insulators. These edge states are immune to defect scattering in their directional transport, which is promising in designing new electronic devices. The research on edge states in synthetic gauge field has mainly focused on ultracold bosonic gases, degenerate fermionic gases, and artificial photonic nano-structures. Based on electromagnetically induced transparency, we have recently proposed the concept of superradiance lattices and the quantum simulation based on superradiance lattices. We have demonstrated the theoretical proposal of simulating Bloch band collapsing and the Haldane model. In the current project, we propose to investigate the simulation of gauge field and edge states in superradiance lattices both theoretically and experimentally, and to explore the applications of the edge states in superradiance lattices in nonlinear optics, quantum metrology and quantum information. This research not only maintains the quantum properties of the simulation of the gauge field, but also circumvents the limitations of low temperature systems, and thus provides a more feasible platform for quantum simulation.

电中性系统中规范场的合成是量子模拟的一个重要研究方向。规范场可以导致新奇的量子态，例如拓扑绝缘体的边缘态。此类边缘态的定向传输对局域杂质散射具有免疫性，可以用于制备新型的电子器件。目前，合成规范场中边缘态的研究主要集中在超冷波色或费米气体以及人造微纳光学结构中。基于电磁诱导透明系统，我们最近提出了超辐射晶格的概念以及基于超辐射晶格的量子模拟，并提出了模拟布洛赫能带塌缩和Haldane模型的理论方案。本项目将针对热原子超辐射晶格内规范场的模拟和边缘态的实现开展理论与实验研究，并探索超辐射晶格边缘态在非线性光学、量子测量和量子信息中的应用。这一研究既保持规范场模拟的量子特性，也将突破低温系统对实验条件的限制，将为量子模拟提供更易操控平台。

用于量子模拟的物理系统大多需要极低温条件，这为相关新奇物态的应用设置了障碍。实现室温量子模拟可以解决这一问题。本项目的主要研究目标为在室温原子超辐射晶格中实现合成规范场的制备并观察其拓扑效应。具体研究内容包括：基于碱金属原子构造了动量空间的准一维超辐射晶格，合成规范场并观察边缘态的定向手征性传输；利用边缘态的拓扑性质，实现对距离、温度等物理量的精密测量；在这一基础上，进一步研究高维超辐射晶格的制备。本项目取得的代表性成果如下：（1）实现了准一维超辐射晶格规范场的合成，观察到了室温情况下的手征边缘流，实现了对位移的精密测量；（2）将超辐射晶格推广到Creutz结构，实现了平带局域化，观察了平带局域化和规范场之间的关系；（3）完成了一维超辐射晶格几何相位的测量，为拓扑不变量的测量奠定了基础；（4）通过Floquet调制实现了二维超辐射晶格，观察到了动力学局域化、动力学非局域化和手征边缘流的相图。更进一步地，本项目将超辐射晶格拓展到全量子化情况，提出了由光场量子化所导致的光学拓扑态的实现方案，将拓扑光子学拓展到腔量子电动力学领域；将超辐射晶格中的手征动力学研究推广到超导量子比特平台，合成了多种具有重要意义的自旋相互作用，实现了超辐射态和亚辐射态之间的可控转化。