人造规范势下超冷原子的量子模拟

Quantum simulation is to employ an easily realizable and flexibly controllable quantum system to emulate other systems of interest that are otherwise intractable. At present, the family of quantum simulators includes ultracold atoms, ultracold ions, arrays of optical cavities, superconductive circuits, nuclear spins in nuclear magnetic resonance, etc. Ultracold atoms are quite suitable for simulating condensed matter physics because of the high degree of controllability of many system parameters such as the dimension and geometry of the lattice, the hopping magnitude and the on-site interaction energy of the atoms in the lattice. This project aims to explore new schemes to create the artificial gauge potentials for ultracold atoms based on the fundamental theories in atomic physics and quantum optics, along with recent developments in related experiments. Simplified models are derived after reasonable approximations. These models are our starting point to simulate important physical problems including quantum Hall effect, Klein tunneling and Zitterbewegung effect, and also to study the properties of the spin-orbit coupled Bose-Einstein condensates.

量子模拟是指用一个实验上易于实现且灵活可调的量子系统来模仿其它不易实现或不便调节的量子系统。目前，常见的量子模拟器有光晶格中的超冷原子或离子、光腔列、超导电路、核磁共振操控的核自旋等。其中，光晶格中的超冷原子非常适用于模拟凝聚态物理，系统的许多参数，包括晶格的维度、几何形式以及原子在晶格中的隧穿耦合矩阵元、在位相互作用能等均灵活可调。本项目主要目标在于运用原子物理及量子光学等学科的基础理论，结合最新实验进展，研究探索在超冷原子气体中产生人造规范势的新方法。并应用人造规范势中的超冷原子系统模拟量子霍尔效应、狄拉克方程等量子力学中的重要问题，分析研究自旋-轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚体的复杂动力学性质。

利用人工规范势操控中性超冷原子是实现量子模拟的重要方案之一，具有不易受环境影响且系统参数灵活可调等优势，是超冷原子物理近年来的核心研究课题之一。本项目围绕这一科研热点，在发展平均场经典理论和全量子精确数值模拟程序的基础上，结合非线性理论分析，深入研究了自旋轨道耦合（SOC）超冷原子体系的自旋混合、孤子运动、声波激发及超流现象、自旋霍尔分离、测度同步、热力学与动力学不稳定性等复杂过程；提出了利用超冷原子模拟Zitterbewegung效应新的理论方案；发现了人工规范磁场中的中性原子回旋运动和负折射现象；系统总结凝练了非线性量子系统的绝热理论、几何相位及虚拟磁单极的相关工作，并在国际著名科技出版社Springer出版发行。这些成果一方面加深了人们对人造规范势下超冷原子的微观动力学机理的理解，同时在量子计算、精密测量等领域展现了诱人的应用前景。在项目执行期间（2015 - 2018年），我们共发表相关SCI论文39篇，出版英文专著一部[Jie Liu, Sheng-Chang Li, Li-Bin Fu, and Di-Fa Ye, Nonlinear Adiabatic Evolution of Quantum Systems: Geometric Phase and Virtual Magnetic Monopole, Springer (2018)]，为相关领域的进一步深入研究奠定了坚实的基础。