玻色-爱因斯坦凝聚体中偶极-偶极与三体相互作用辅助的量子度量

Quantum metrology has become a fast developing discipline, which is closely related to practical applications, such as quantum frequency standards, atomic clocks, gravitational wave detection, magnetometry, and so on. Bose-Einstein condensates trapped in an external potential, due to their unique coherence properties and the possibility to yield controlled nonlinearity have attracted much attention, and have been viewed as the ideal sources for ultraprecise estimation of parameters. We shall study the effects of the three-body interactions on the spin-squeezing dynamics as well as the precise of parameter estimation in the presence of strong dipole-dipole interaction and the spatial evolution of the condensate wave function. In addition, we shall reexamine whether the three-body interactions can still provide the "super-Heisenberg" scaling precise of the parameter estimation in the strong dipole-dipole interaction BECs system. These studies maybe help us obtain a realistic description of the quantum properties induced by the strong dipole-dipole and three-body interaction.

量子度量学目前已经成为了原子频标、原子钟、引力波探测以及磁力计等研究领域的基础课程而引起人们的广泛关注。囚禁的超冷原子系统由于其原子间的可控的非线性相互作用所带来的丰富的量子效应，使得其成为研究量子信息以及量子精密测量等领域一个很有潜力的平台。我们将利用玻色子多结构含时 Hartree (MCTDHB) 理论来研究强偶极相互作用的冷原子系统中三体相互作用对自旋压缩与量子度量的影响。以检验在存在强偶极相互作用的条件下，利用原子间的三体相互作用是否还可以获得超越海森堡极限的参数估计精度。这将有助于真实地反映出囚禁冷原子系统中的量子动力学行为，帮助我们更加真实全面的揭示出冷原子系统中的量子特性，从而为我们在量子信息以及量子精密测量领域中利用这些量子资源提供更好的理论指导。

玻色-爱因斯坦凝聚体由于其原子间可控的非线性相互作用以及良好的量子相干性等特性使得其成为了研究量子精密测量问题的一个重要载体。超冷原子系统中除了有短程的碰撞相互作用，也可能存在着不可忽略的长程偶极-偶极相互作用，因此在利用超冷原子系统进行量子度量时原子间长程的偶极-偶极相互作用也不应该忽视。本项目分别研究自旋为1/2与自旋为 1 的冷原子系统中长程的偶极-偶极相互作用对凝聚体的自旋压缩以及量子纠缠行为的影响。研究表明原子系统中无论是自旋压缩还是量子纠缠都极大的依赖于偶极相互作用与接触相互作用的相对大小和正负符号。通过调节合适的偶极相互作用强度，我们可以获得最优的自旋压缩值与量子纠缠。利用这些量子资源进行量子测量时可以获得超高精度的参数估计值，这些精度甚至可以接近于海森堡极限。从而充分体现了量子精密测量的优势。此外，本项目还设计了基于偶极玻色-爱因斯坦凝聚体的量子干涉仪用于系统的相位估计，并且详细分析了偶极相互作用对相位参数估计精度的影响。研究表明可以通过改变冷原子囚禁势的形状等方法来调节有效的偶极-偶极相互作用从而提高相位估计的灵敏度。本项目的开展有助于较全面了解超冷原子系统中偶极相互作用对系统的基态以及动力学行为的影响，并且为超冷原子系统中合理的利用偶极相互作用来提高系统的参数估计精度提供理论上的指导。