腔QED系统的新奇量子相变与量子关联性质的研究

从量子物理基本问题出发，结合冷原子玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的最新实验进展，探讨腔量子电动力学(QED)系统的新奇量子相变与多体量子关联，本课题拟研究：(1)大失谐光驱动下单模腔场与二能级原子系综的色散相互作用，分析推广的狄克模型超辐射相变与量子关联特性(如纠缠或自旋压缩等)；(2) 超越平均场近似，解析和数值计算光腔中旋量BEC的自旋混合动力学，考虑操纵参数在临界点附近的动力学不稳定性及其与外部系统的量子纠缠；(3)从超冷原子-光腔耦合系统的二次量子化哈密顿量，通过绝热消除腔模，推导有效原子-原子相互作用模型，研究非经典量子态(薛定谔猫态、Twin-Fock态等)相干制备和人工操控；(4) 耦合腔阵列中光与定域原子相互作用，分析反共振项对极化子动力学和相图的影响. 采用量子光学、凝聚态物理等跨学科的理论，解析和数值方法相结合，探讨腔QED系统的临界现象及其在量子信息、量子计量中应用.

本课题研究多体系统新奇量子态的动力学制备和量子相变. 具体取得如下原创性研究成果：(i) 在前期工作基础上，研究了集体退相干效应对单轴扭曲自旋压缩动力学的影响，定性地解释了双组份玻色-爱因斯坦凝聚气体的相扩散增强现象；(ii) 从量子度量学的一般原理出发，推导任意相位依赖态的量子Fisher信息. 并以光量子纠缠相干态为例，研究了光子损耗对纠缠度及量子Fisher信息的影响，发现相位灵敏度的量子Cramer-Rao下限经历量子—经典跃迁，该跃迁由损耗的光子数目决定，而非单纯地依赖入射光子数目或光子损耗率. (iii) 提出光和原子的量子Fisher信息可以识别Dicke模型的超辐射量子相变. 临界点附近, 量子Fisher信息突破经典极限源自光和原子非经典压缩态的出现. (iv) 针对双输出量子测量，证明相位灵敏度始终饱和 Cramer-Rao下限. 以相干光Mach-Zehnder干涉仪为例，研究了相扩散效应对双输出零拍探测及光子计数测量的影响. (v) 发展出高精度计算Wigner-d矩阵的新算法，克服了原始计算公式的大数求和问题, 并能计算上千个自旋的d矩阵及其任意阶导数. 对于自旋大至100，Wigner-d矩阵的计算精度可达10的-14次方量级，有益于今后数值模拟量子相位测量.