[00130867]超冷玻色原子系统中非线性隧穿的量子调控

1 课题来源与背景 如何利用特定的外场精确地操控量子系统是人们梦寐以求的目标。超冷原子气体因其具有量子力学波动性、宏观量子相干性以及人工精确可调控性,成为量子操控的最佳选择。对超冷玻色原子体系,特别是原子玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的量子操控研究,不仅为研究基础物理开辟了新方法,而且在量子信息、航空航天等领域有着重要的应用。鉴于此,美国科学院联合会发布的原子、分子物理和光学委员会2010年的前瞻报告,标题就是“调控量子世界”,《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》也将“量子调控研究”列为基础研究的四项重大研究计划之一。 超冷玻色原子系统中隧穿动力学的研究是超冷原子体系量子操控研究中的重要内容。隧穿效应作为一种有广泛应用的基本量子现象,早在20世纪30年代就被科学家们所关注,比如Landau-Zener隧穿、Rosen-Zener效应等。然而几乎所有的隧穿过程都不完全,保真度小于1。在量子信息科学的应用中保真度的要求极高（0.99以上）。因而,近年来有关高保真度隧穿动力学的研究引起了人们的广泛关注：一是考虑系统如何从一个初态以最快的速度到达终态,称之为超快量子驱动;二是考虑如何加速一个系统的绝热过程,即用有限的时间实现系统的绝热跟随,称之为超绝热量子驱动。这些具有精确性、鲁棒性、高保真性和快速性的量子操控研究在量子信息与量子计算中非常有用。最近,M. G. Bason等在光晶格BEC的线性两能级系统中实现了高保真度超快量子驱动。同时,各种加速绝热过程的方法也相继提出。实验上,已经在光晶格BEC、单自旋系统中分别实现了这一技术。 然而,在超冷原子系统,特别是BEC系统中,粒子间相互作用会极大地影响动力学行为,当然也可以通过Feshbach共振去调节此相互作用。这些包含粒子间相互作用的超冷原子体系,会出现一系列新奇的量子现象。对于上述超快、超绝热量子驱动等,目前的研究仅限于线性系统,粒子之间的相互作用等非线性项被忽略。那么这些非线性相互作用,对超快驱动技术有何影响？如何实现这些系统的超绝热量子驱动？所有这些都是需要进一步研究且值得研究的问题。 因此,本项目将以包含粒子间相互作用的超冷玻色原子体系为研究对象,以高保真度为基本要求,针对上述问题开展超快、超绝热量子驱动研究。 2 研究目的与意义 通过该项目建立超冷原子系统中非线性超快、超绝热量子隧穿动力学理论,揭示粒子间非线性相互作用对量子速度极限等的作用规律。 该研究在冷原子或离子的输运、波包分裂、内部态或布局数控制、多体态的操控等领域展现极好的应用前景。同时为相关系统隧穿动力学的实验观测和应用提供理论支持。 3 主要论点与论据 1)研究超快量子驱动问题。在深入分析线性系统超快量子驱动技术的基础上,研究包含粒子间相互作用的非线性系统量子速度极限问题,探讨粒子间相互作用对超快量子驱动的影响。正如项目的立项依据中所提到的,目前在超快量子驱动研究中,通常采用Landau-Zener模型,且忽略了粒子间相互作用,本项目将建立一个普适的理论模型,在深入分析各系统参数及一些扰动因素对超快技术影响的基础上,仔细探讨真实的超冷原子系统中粒子间相互作用对超快量子驱动的影响,并设计一些可行的实验方案。 2)研究超绝热量子驱动问题。基于超绝热量子驱动技术,研究了Gaussian脉冲模型、Demkov-Kunike模型以及Rosen-Zener模型中的超绝热量子驱动问题,通过构造合适的附加哈密顿量以抵消非绝热效应的问题,从而加速绝热过程。 3)研究了非线性两能级系统中的Demkov-Kunike跃迁动力学,建立了非线性跃迁理论。 4 创见与创新 建立了超冷玻色原子系统中非线性超快量子隧穿动力学理论,揭示了粒子间非线性作用对量子速度极限等的作用规律;发现了非线两能级系统Demkov-Kunike跃迁动力学规律;实现了几种两能级系统超绝热量子驱动。 5.社会经济效益,存在的问题 作为基础研究,本项目在在物理学国际顶尖期刊Phys. Rev. A,Nonlinear Dyn.,Opt. Lett.,Eurphysics. Lett等发表研究论文6篇,其中SCI收录4篇（top期刊一区1篇,二区2篇,三区1篇）,中文核心2篇（其中CSCD收录1篇）,论文被国内外同行引用。 培养研究生3人,其中2人已顺利毕业。通过该项目,提升了团队完成科研课题的能力。 存在的问题：应当和同行多交流,对超绝热部分的研究,针对非线性系统还需进一步探索。 6 历年获奖情况 无。