基于少体关联系统的量子态调控与探测的研究

The external field and the particle-particle interaction can induce the exotic physical phenomena, which exhibit wide application prospect in the regime of quantum information. However, the correlated cluster is difficult to control owing to its sensitivity to the interaction and external field. Based on this, this proposal is aimed to explore the dynamics of the few-body correlated system and presents a scheme to realize remote entangled state preparation in the framework of the Hubbard model. This proposal is also devoted to establish the optimal schemes of the manipulation of the quantum state and apply them to the real system via investigating the effect of an external field on the transport and stability of the correlated particles. On the other hand, we study the influence of the complex interacting strength on the dynamics property and give the physical interpretation of the spectral singularity in the non-Hermitian correlated system. The corresponding research can not only enrich the method of manipulation of quantum state in the correlated system but also connect the research to the basic concepts of quantum physics.

外场以及粒子与粒子之间的相互作用可以诱导出许多奇特的物理现象并在量子信息领域中展现出广阔的应用前景。然而关联粒子团簇对于外场以及粒子间相互作用强度的敏感性使得其在实验上变得难于操控。基于此，本项目一方面将深入探讨少体关联系统的动力学行为，在Hubbard系统中给出多粒子远程纠缠态制备的方案；探究外场对于关联粒子对输运及其稳定性的影响，构建最适的量子态调控方案并将其应用到实验系统中。另一方面，本项目还将研究复数的相互作用对系统动力学性质的影响，给出系统能谱奇点物理解释。相关研究不仅可以丰富关联系统中操控量子态的方法和手段，还有可能把对量子信息处理问题的探索和量子物理中的基本问题的研究联系起来。

在量子关联系统中，粒子之间的相互作用可诱导出许多奇异的物理现象。如之前引起大家广泛关注的多粒子体系中的高温超导、分数量子霍尔效应、量子相变等典型的凝聚态物理现象。特别是随着近几年科学技术的发展，使得基于关联系统量子计算的物理实现成为了可能。在此情况下人们更加关注粒子间的相互作用对于物质波动力学行为的影响，从而使得调控与探测量子态成为了关联系统中进行量子计算的关键问题。在本项目中，我们以关联系统为研究平台，主要研究了以下三个方面的问题：(1)基于赫伯德模型，我们研究了粒子之间的关联对于量子态动力学性质的影响。通过构建关联体系下两粒子精确解，发现了束缚粒子团簇稳定存在的阈值，并给出了其动力学操控的方案。以此为基础，提出了束缚粒子对单向输运的方案。另一方面，通过两粒子散射行为，我们发现了自旋-电荷分离的概念并以此为基础提出了远程纠缠对相干产生的方案。(2)基于量子力学的光学模拟，在二维弯曲波导阵列中实现了两粒子系统中布洛赫振荡现象的光学仿真，并将此结论推广到非厄米系统的光学仿真。另一方面，基于布洛赫振荡对于外场的敏感性，我们在光学体系中模拟了粒子对关联特性的周期性恢复现象。(3)针对复数相互作用的非厄米系统，我们通过少粒子波包的碰撞散射行为给出了其物理对应，并提出了复数例外点存在的动力学指征，即粒子对的碰撞完全湮灭。除了以上的研究内容，我们还发展了构造具有任意能量例外点系统的一般方法，在光与机械相互作用系统中实现了光场信号的单向性传输，以及在具有长程相互作用的自旋体系中给出了多粒子关联的临界特性。相关研究丰富了物质波操控的方法与手段，并为未来新一代的光学器件乃至于量子器件的设计打下了坚实的理论基础。. 项目执行期间共计发表SCI论文16篇。发表的具有代表性的SCI 论文：物理学高水平专业期刊论文Physical Review A/B 8 篇, Journal of Physics A 1 篇, Optics Express 1篇。