用电子束任意雕琢原子团打开冷原子物理的新天地

近十年来,物理学家们非常巧妙地运用光格(呈有序排列的光阱)和超冷原子构成的量子"模型"对诸如超导现象等固体性质进行模拟研究.然而,人们一直没有找到一种很好的方法将光格中特定位置的原子去掉,这就使光格一超冷原子量子模型的应用范围受到较大的限制.如果可以对光格中的每个超冷原子进行针对性操作,那么光格一超冷原子量子模型将可以模拟更多种类的固体材料.     

超冷单原子分子阵列

用光镊形成光阱囚禁单个原子、用激光将单个原子冷却到基态形成超冷原子、将超冷原子相干合成单个超冷分子、将单原子分子重排串成丰富多样的超冷单原子分子阵列,这就构成了精密相干可控的多粒子量子系统,为多种前沿科学研究与技术发展提供难得的量子平台.文章介绍近年来在单原子量子态高保真操控、异核原子量子纠缠、原子一分子耦合态相干控制...     

超冷极性分子

目前对超冷原子的研究已经从最初的原子分子物理扩展到了物理的很多分支.极性分子可以将电偶极相互作用引入到超冷体系,同时分子又与原子类似,可以灵活地被光和其他电磁场操控,因而很多理论工作都预言了超冷极性分子在超冷化学、量子模拟和量子信息等领域会有重要的应用.但由于超冷基态分子的制备非常困难,如何把超冷物理从原子发展到分子还是一个方兴未艾的课题.过去的10年间,各种分子冷却技术都取得了很大突破,本文回顾了这些进展,并着重介绍了基于异核冷原子的磁缔合结合受激拉曼转移这一技术,该技术在制备高密度的基态碱金属超冷极性分子上取得了较大的成功.本文也总结了超冷极性碱金属分子基本碰撞特性研究的一些实验结果.     

原子光学讲座第二讲量子原子光学

近年来,有关玻色一爱因斯坦凝聚（BEC）及其量子光学性质的理论与实验研究得到了飞速发展,并取得了一系列重大进展,从而形成了一门原子光学的新分支学科——“量子原子光学”．文章重点介绍了量子原子光学的研究内容、实验结果及其最新进展,主要包括BEC实验研究的重大进展、原子量子态的实验制备、原子激光的产生及其最新进展、BEC凝聚体或原子激光的相干性和费米原子气体的量子简并等．     

封面故事

正超冷原子量子比特具有退相干时间长、可操控精度高、可升级等优点,成为开展量子模拟和计算的理想物理体系之一。但是在之前实验中,由激光束缚原子形成的原子晶格缺陷很多,影响下一步的量子操控应用,需进一步降温降熵。中国科学技术大学潘建伟、苑震生等首次提出了使用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态中的新制冷机制,     

超冷原子系综的非高斯纠缠态与精密测量

量子精密测量是基于量子力学的基本原理对特定物理量实施测量,并利用量子效应提高测量精度的交叉科学.随着超冷原子实验技术的发展,超冷原子为量子精密测量提供了一个优异的研究平台.利用发展成熟的量子调控技术,人们可以基于超冷原子系综制备一些新奇的非高斯多粒子纠缠态.基于多体量子干涉,利用这些非高斯纠缠态作为输入,可以实现超越标准量子极限的高精度测量.本文简要综述这一研究领域的进展.     

单原子量子调控研究取得重要进展

激光冷却的中性原子具有长的态相干时间,是量子计算、量子仿真、量子信息处理等研究领域的众多候选体系之一,对单个中性原子的操控是当前量子调控研究方面的难点和热点。武汉光电国家实验室的原子芯片团队,在单原子量子调控研究方面取得重要进展。该团队利用空间光调制器实现了独特的单原子全息光阱阵列,     

原子冷却技术的发展

新的物理现象的发现往往得益于新实验技术的发明,制冷技术的进步推动了包括凝聚态物理学和原子物理学等现代科学多个领域的重要发现,并促进了超导强磁铁、冷冻电镜等需要极低温度条件的新技术的发展.近年来,随着激光冷却技术的发明和不断发展,人们得以在极端低温下开展统计力学和量子力学相关的实验研究,迄今,人们已经实现了玻色-爱因斯坦凝聚态这种新奇的物态,并掌握了在单原子尺度开展量子调控研究的能力.同时,由于描述量子多体系统的希尔伯特空间的维度随系统粒子数呈指数增长,即便使用经典超级计算机处理此类问题也仍面临巨大困难,这使得基于超冷原子、离子、超导等体系的量子模拟研究成为热点.人们通过前所未有的调控能力制造人工量子系统,再直接调控并观测其量子相变过程,这为研究强关联量子系统提供了一条崭新的途径.在获得极限低温的道路上,基于热力学定律的传统制冷技术能够达到的温度极限在mK量级,但激光冷却技术却另辟蹊径,巧妙地运用光与原子的相互作用,将原子的温度降低到nK量级,这大大推动了基于超冷原子的量子模拟研究的发展.尽管激光冷却技术获得的超冷原子的温度是传统制冷技术远不能及的,但由于中性原子间相互作用强度很弱,转换成温度一般在nK级别,这意味着要观测超冷原子强关联体系中的量子多体行为,就需要进一步降低原子体系温度以减小热涨落带来的影响,这也是当前超冷原子量子模拟研究中最关键的问题之一.在本文中,我们对原子冷却技术的发展进行了回顾,总结了20世纪70年代至今超冷原子技术的突破性进展,并从调控体系的熵的角度分析并展望了超冷原子低温技术未来发展方向.     

基于量子Fisher信息的量子计量进展

量子计量是超冷原子气体研究中的一个热点领域.超冷原子体系独特的量子性质(量子纠缠)和量子效应有助于大幅度提高待测物理量的测量精度,这已经成为量子精密测量中的共识.量子Fisher信息对该领域的发展起了非常重要的作用.本文首先介绍量子Fisher信息的基本概念和量子计量的主要内容;然后简要回顾这些理论在提高测量精度方面的应用,特别是多粒子量子纠缠态的产生及其判定;再介绍线性和非线性原子干涉仪的相关进展;最后论述量子测量过程中的统计方法的研究进展.     

与光场依赖强度耦合下运动纠缠双原子的周期量子回声

本文将Tavis-Cummings(T-C)模型推广到同时考虑原子运动及与光场依赖强度耦合的情况.运用全量子理论,研究了与光场依赖强度耦合下运动纠缠双原子量子态保真度演化.采用数值计算的方法,探讨了双原子初始纠缠因子θ、光场平均光子数n以及场模结构参量p对双原子量子态保真度演化的影响,解析分析了双原子周期量子回声的形成规律,揭示了其物理实质.结果表明, 在场模结构参量p=1的情况下,无论光强和双原子初始纠缠因子如何取值,双原子均产生周期2π的量子回声;在强相干场n=30条件下,改变p从1到小于800时,Bell态双原子产生2π/p周期量子回声.当p≥800时,无论光场是真空场、弱相干场或强相干场,双原子量子态保真度恒为1,即第一类Bell态原子持续处于保真态;而当双原子初始纠缠因子为3π/4时,无论n、p取何值,双原子量子态保真度保持为1,双原子持续处于第二类Bell态的保真态.其结论表明, 该推广模型具有很好的双原子周期量子回声性质,为纠缠双原子信息高保真输出及噪音环境下量子信息处理的实验实现提供了理论参量和物理载体.     

Graphene-like physics in optical lattices

Graphene has attracted enormous attention over the past years in condensed matter physics. The most interesting feature of graphene is that its low-energy excitations are relativistic Dirac fermions. Such feature is the origin of many topological properties in graphene-like physics. On the other hand, ultracold quantum gas trapped in an optical lattice has become a unique setting for quantum simulation of condensed matter physics. Here, we mainly review our recent work on quantum simulation of graphene-like physics with ultracold atoms trapped in a honeycomb or square optical lattice, including the simulation of Dirac fermions and quantum Hall effect with and without Landau levels. We also present the related experimental advances.     

Quantum simulation of the Hubbard model with ultracold fermions in optical lattices

Ultracold atomic gases provide a fantastic platform to implement quantum simulators and investigate a variety of models initially introduced in condensed matter physics or other areas. One of the most promising applications of quantum simulation is the study of strongly correlated Fermi gases, for which exact theoretical results are not always possible with state-of-the-art approaches. Here, we review recent progress of the quantum simulation of the emblematic Fermi–Hubbard model with ultracold atoms. After introducing the Fermi–Hubbard model in the context of condensed matter, its implementation in ultracold atom systems, and its phase diagram, we review landmark experimental achievements, from the early observation of the onset of quantum degeneracy and superfluidity to the demonstration of the Mott insulator regime and the emergence of long-range anti-ferromagnetic order. We conclude by discussing future challenges, including the possible observation of high-$T_{\mathrm{c}}$ superconductivity, transport properties, and the interplay of strong correlations and disorder or topology.     

Relativistic quantum effects of Dirac particles simulated by ultracold atoms

Quantum simulation is a powerful tool to study a variety of problems in physics, ranging from high-energy physics to condensed-matter physics. In this article, we review the recent theoretical and experimental progress in quantum simulation of Dirac equation with tunable parameters by using ultracold neutral atoms trapped in optical lattices or subject to light-induced synthetic gauge fields. The effective theories for the quasiparticles become relativistic under certain conditions in these systems, making them ideal platforms for studying the exotic relativistic effects. We focus on the realization of one, two, and three dimensional Dirac equations as well as the detection of some relativistic effects, including particularly the well-known Zitterbewegung effect and Klein tunneling. The realization of quantum anomalous Hall effects is also briefly discussed.     

Ultracold atomic gases in optical lattices: mimicking condensed matter physics and beyond

We review recent developments in the physics of ultracold atomic and molecular gases in optical lattices. Such systems are nearly perfect realisations of various kinds of Hubbard models, and as such may very well serve to mimic condensed matter phenomena. We show how these systems may be employed as quantum simulators to answer some challenging open questions of condensed matter, and even high energy physics. After a short presentation of the models and the methods of treatment of such systems, we discuss in detail, which challenges of condensed matter physics can be addressed with (i) disordered ultracold lattice gases, (ii) frustrated ultracold gases, (iii) spinor lattice gases, (iv) lattice gases in “artificial” magnetic fields, and, last but not least, (v) quantum information processing in lattice gases. For completeness, also some recent progress related to the above topics with trapped cold gases will be discussed.

Motto:     

量子计算与量子模拟

量子计算和量子模拟在过去的几年里发展迅速,今后涉及多量子比特的量子计算和量子模拟将是一个发展的重点.本文回顾了该领域的主要进展,包括量子多体模拟、量子计算、量子计算模拟器、量子计算云平台、量子软件等内容,其中量子多体模拟又涵盖量子多体动力学、时间晶体及多体局域化、量子统计和量子化学等的模拟.这些研究方向的回顾是基于对现阶段量子计算和量子模拟研究特点的考虑,即量子比特数处于中等规模而量子操控精度还不具有大规模逻辑门实现的能力,研究处于基础科研和实用化的过渡阶段,因此综述的内容主要还是希望管窥今后的发展.     

Dynamics of a quantum phase transition and relaxation to a steady state

We review recent theoretical work on two closely related issues: excitation of an isolated quantum condensed matter system driven adiabatically across a continuous quantum phase transition or a gapless phase, and apparent relaxation of an excited system after a sudden quench of a parameter in its Hamiltonian. Accordingly, the review is divided into two parts. The first part revolves around a quantum version of the Kibble–Zurek mechanism including also phenomena that go beyond this simple paradigm. What they have in common is that excitation of a gapless many-body system scales with a power of the driving rate. The second part attempts a systematic presentation of recent results and conjectures on apparent relaxation of a pure state of an isolated quantum many-body system after its excitation by a sudden quench. This research is motivated in part by recent experimental developments in the physics of ultracold atoms with potential applications in the adiabatic quantum state preparation and quantum computation.     

量子显自极寒来——冷原子研究漫谈

冷原子体系的量子波动性、宏观量子相干性和人工可调控性,使其成为了一个全新的量子体系,其新颖的量子态和奇异物性的研究是国际上具有前瞻性和挑战性的前沿领域.自1995年实现稀薄气体玻色一爱因斯坦凝聚以来,从单组分、简单相互作用的研究逐渐过渡到多组分、复杂多体效应以及自旋一轨道耦合、非厄米、强关联、无序效应等新物理的研究.文...