光晶格中超冷原子的非平衡多体量子动力学

Non-equilibrium many-body quantum dynamics is an important interdisciplinary problem among quantum physics, statistical physics and condensed matter physics. The studies of this problem are not only of great fundamental interests, but also may provide new routes to quantum manipulation and quantum technology. Attribute to their ultralong coherence time and high controllability, ultracold atoms in optical lattices are excellent systems for exploring non-equilibrium many-body quantum dynamics. By applying both analytical and numerical methods, this project will investigate the non-equilibrium many-body quantum dynamics of ultracold atoms in optical lattices. Through concentrating on the problems of quantum many-body localization, quantum walks and dynamics of quantum phase transitions, the project will aims to develop new approaches for analysing/simulating, characterising and probing non-equilibrium many-body quantum dynamics. The successful implementation of the project will explore: (i) how inter-particle interaction affects multi-particle quantum walks; (ii) how the nonlinear localization dominated by interaction competes and cooperates with the Anderson localization dominated by disorder; and (iii) how to capture universal scalings of quantum phase transitions from the dynamical excitation across the quantum critical points.

非平衡多体量子动力学是处于量子物理、统计物理和凝聚态物理等学科交叉之处的一个有待深入研究的关键课题。这一领域的研究不仅具有重要的基础研究意义，同时也可能为量子操控和量子技术的实现提供新的手段。归功于其超长的量子相干时间和高度的可控性，光学晶格中的超冷原子体系为研究非平衡多体量子动力学提供了新的挑战与机遇。解析分析结合数值模拟，本项目将研究光学晶格中超冷原子的非平衡多体量子动力学。围绕量子多体局域化、量子行走和量子相变动力学等关键科学问题，项目将深入探究非平衡多体量子动力学的计算与模拟、表征和观测，从而澄清：（1）相互作用与环境效应如何影响多体量子行走；（2）相互作用主导的非线性局域行为与无序主导的安德森局域行为如何竞争和协作；（3）如何从跨越量子相变临界点的动力学激发中捕捉量子相变的普适标度行为。

本项目按计划顺利完成，达到了预期的研究目标。本项目通过理论分析结合数值模拟的方法，主要研究了基于超冷原子光晶格体系的非平衡多体量子动力学方面涉及到的一些关键物理问题。在涉及自旋轨道耦合的光晶格体系以及光学波导阵列等量子体系中，我们探索了非平衡多体量子动力学的计算与模拟、表征和观测，包括：相互作用和环境效应如何影响多体量子行走以及拓扑物态的传输，如何利用淬火动力学观测物质的拓扑相，如何从跨越量子相变临界点的动力学激发中捕捉量子相变的普适标度行为以及提取临界指数等。同时，我们发展了有效的数值模拟及解析的方法，分析和揭示了一些新奇的多体量子现象，这些理论方法将有助于研究多体量子体系的动力学演化和调控。