高分辨成像的超冷原子量子模拟研究

Quantum manipulation of ultracold atoms is one of the frontiers of quantum physics. This project aims to solve the problems related to high-resolution measurement and high-accuracy control of single atoms trapped in optical lattices, and to study quantum magnetism. First, we will achieve deep-cooling in optical lattice to create nearly perfect filling in the Mott insulator state. The high-resolution imaging will be used to measure the distribution of atoms. Second, the addressing precision can be improved to better than the diffraction limited one by sending in a microwave field in addition to the addressing optical field. Then we will have chance to precisely measure and control single atoms trapped in optical lattices. Finally, we can flip the spin of the atoms with a high fidelity. This also help us to adjust the interaction strength between neighboring atoms. Especially, we will study the applicaiton of this technique in the research of quantum magnetism. This project will help us to enhance the capability on manipulating ultracold quantum gases. One major deliverable is that a powerful tool will be developed for performing quantum control, quantum simulation and quantum information processing with ultracold atoms.

基于超冷原子的量子调控是目前量子物理最前沿的研究方向之一，本项目将重点解决光晶格中超冷原子的高空间分辨光学成像、测量和操控等问题，并研究其在量子磁性方面的应用。首先，基于我们开发的高分辨超冷原子显微镜系统，通过对光晶格中原子的深度制冷，我们将实现对光晶格中近完美单填充的绝缘态单格点高分辨成像测量。其次，我们将通过激光与微波相结合的方法，突破光学衍射极限对操控精度的限制，实现对光晶格中的单个冷原子进行精确的测量和操控；最后，我们将利用这一高精度的操控技术对光晶格中超冷原子的自旋进行高保真度的翻转，并准确的调控原子之间的相互作用，探索微观尺度的原子相互作用调控对多体相变的影响机制，特别地将进行量子磁性方面的实验研究。本项目的开展将极大推动我们对超冷原子的量子调控能力，为超冷原子量子模拟和量子信息处理提供一种强大的研究手段。

基于超冷原子的量子调控是目前量子物理最前沿的研究方向之一，本项目的重点是解决光晶格中超冷原子的高空间分辨光学成像、测量和操控等问题，并研究其在量子磁性方面的应用。我们取得了如下的研究成果：..一、我们开发了高分辨超冷原子显微镜系统，通过对光晶格中原子的深度制冷，我们实现光晶格中近完美单填充的绝缘态及其单格点、原子数分辨的成像测量。我们相关的研究结果发表在Review of Scientific Instruments（1篇，第一标注），Optics Express（2篇，其中1篇第一标注、1篇第四标注），Science（1篇，第二标注），Chinese Physics B（1篇，第二标注）。.二、我们将通过激光与微波相结合的方法，突破光学衍射极限对操控精度的限制，实现对光晶格中的单个和多个冷原子进行精确的测量和操控。.三，我们利用这些高精度的操控技术对光晶格中超冷原子的自旋进行高保真度的翻转，并准确的调控原子之间的相互作用，探索微观尺度的原子相互作用调控对多体相变的影响机制，特别地进行了量子磁性方面的实验研究。我们相关的研究结果发表在Nature Physics（1篇，第二标注），Nature（1篇，第二标注）。..本项目的开展将极大推动我们对超冷原子的量子调控能力，为超冷原子量子模拟和量子信息处理提供一种强大的研究手段。