超冷原子气体中的宇称-时间对称及相关效应

In 1998, Bender et al. proposed a novel quantum mechanics framework based on parity-time (PT) symmetry without the hermiticity priori of the Hamiltonian. This extraordinary and profound discovery later has spread out to optics, acoustics, electronic circuits, and many other physical fields, and also gave rise to a wide array of new phenomena which have no counterparts in traditional dissipative systems. In this project, we propose a strategy for realizing a PT-symmetric quantum system with ultracold atoms on an atom chip, where the gain and loss of the quantum states and coherent coupling between them are independently implemented by atom cloud transfer, Raman coupling between trapped and untrapped states and resonant microwave-RF transition, respectively. We present a detailed design of the atom chip to meet the needs of the manipulation of the PT-symmetric atomic system with exquisite precision, especially including the real-time control of the magnetic potential imposed by the atoms. Under non-adiabatic driving in the PT-symmetric (broken) regime, we plan to experimentally track the dynamical response of the open quantum system, and to theoretically explore several exotic effects of our unique system in non-equilibrium thermodynamics. The theoretical and experimental studies presented here are expected to bridge the gap between non-Hermitanian quantum mechanics and ultracold atomic gases, and present powerful tools of quantum control and new ideas in PT-symmetric quantum mechanics and its applications.

1998年Bender等人基于宇称-时间（PT）对称性提出了新的量子力学框架，不依赖哈密顿量厄米性的先验要求。这一不同寻常、深刻的发现很快被推广到光学、声学、电子线路和许多其他物理系统中，随之而来发现了在传统耗散体系中没有与之对应的大量新现象。本项目里，我们提出在原子芯片上用超冷原子构建PT对称量子体系，其中量子态的增益、损耗和两态之间相干耦合分别用原子云转移、囚禁态和非囚禁态的拉曼耦合以及共振微波-射频跃迁来独立实现。我们给出了原子芯片的详细设计，可满足高精度操控PT对称原子系统的要求，尤其是实时控制原子所受磁势场。在PT对称（破缺）区域的非绝热驱动下，我们将在实验上追踪开放量子体系的动态响应，并理论探索这一独特体系下非平衡态热力学的若干新奇效应。这里提出的理论和实验研究将非厄米量子力学与超冷原子气体两个领域联系起来，为PT对称量子力学及其应用提供有力的量子调控手段和新的研究思路。

近年来包括宇称-时间（PT）对称效应在内的非厄米物理为人们打开了研究经典和量子体系的新途径，大大拓展了对拓扑新物态、新奇非平衡相等重要物理问题的认识。PT对称性在光学器件、电子线路、微波、声学等经典体系已被实验证实，同时在包括超冷原子气体在内的量子体系里也得到了初步研究，这些研究正被应用到单向非互易光传输、单模激光、超越标准极限精密测量等领域。本项目在原子芯片上利用冷原子系综研究了PT对称量子体系必备的初态制备、两态的相干操控、态选择的损耗和原子云输运调控增益等关键技术。我们实现了原子芯片表面的原子囚禁和冷却，观测到微波扫频过程中的冷原子云分裂现象；通过微波与原子相互作用的峰间距推算出偏置磁场强度为3.25高斯，与理论估值3.23高斯吻合；实现了Rb原子基态的相干耦合，观测到微波-射频双光子跃迁的Rabi振荡，并给出了微波/射频场强度和频率对双光子跃迁Rabi频率的影响规律；采用直接蒙特卡洛方法对原子芯片上原子云在双阱间的输运动力学进行了数值仿真，准确刻画了初始原子温度和原子数对原子态布居增益和转移效率的影响；实验上并采取紫外激光单光子激发实现对铷原子态选择损耗调控，给出了主量子数n=34-87的高激发nP态的绝对跃迁频率、精细结构分裂、振子强度比、量子损耗及电离能等测量数据，绝对跃迁频率的测量精度达到10MHz，有些nP1/2的实测数据尚未见他人报道；理论上提出用离共振受控态选择里德堡激发的少体效应来模拟Unruh效应，在合理实验参数下给出Unruh温度可达到5 uK，对应的Unruh效应加速度为1.2 x 10^15 m/s^2，可与黑洞附近的弯曲空间微观粒子加速度相比拟，有助于拓展基于冷原子气体的类引力现象量子模拟研究。本项目取得的这些研究成果为研究基于中性原子的非厄米效应提供了参考，特别是在开放体系、长程相互作用下的非厄米量子相表征和应用上提供了新的研究思路。