光晶格中强偶极量子气体的新奇量子态研究

The dipolar gases in optical lattice is attracting more and more interest in different fields, including atomic physics,condensed state,solid state physics, precision measurement,quantum information and so on. By tuning the interactions between the atoms, new quantum spin state can be prepared to improve the measurement accuracy and  fidelity of information. In most theoretical works about these systems, the long-range light-induced and the static magnetic dipole-dipole interactions are customarily ignored or treated with nearest approximations. This proposal aims at studying the effect of the long-range dipole-dipole interactions on spin dynamics of trapped atoms in optical lattice, searching proper manipulation for dipole-dipole interaction to prepare novel quantum spin states. Especially, we will foucs on the Bose gases and Fermi gases with high spin. Finally, we will apply them in experiments of precision measurement and quantum information, and propose technically feasible experimental schemes to improve the measurement precision and fidelity of information. Being similar to dipole-dipole interaction, the spin-orbit coupling is also considered in part of our studies. The studying strategy we will take is to combine theoretical derivation and numerical simulation, in which the mean-field theory and full quantum method will be used. The time evolving block decimation algorithm and the genetic algorithm will be employed in our numerical simulation. Our studies are expected to play an important role in different fields e.g. nonlinear quantum optics，quantum information and precision measurement and so on.

光晶格中的超冷旋量原子气体是原子物理，凝聚态物理，精密测量以及量子信息领域的研究热点之一。通过调控原子间相互作用制备量子态可以提高精密测量的精度和信息的保真度。本项目将着眼于长程光诱导的偶极-偶极相互作用和磁偶极-偶极相互作用这俩过去常被忽略的因素，研究它们对光晶格中超冷旋量原子气体的自旋动力学的影响，尤其是针对高自旋的玻色原子气体和费米气体。进而探索如何对其实现有效的操控并制备新奇的自旋量子态，并将已经得到的理论结果应用到改进精密测量和量子信息处理的新方案中去。此外，在我们的研究中还会考虑了自旋-轨道耦合这一近期颇受关注的机制的影响。研究方法主要是理论推导和数值计算相结合，该项目的研究将采用平均场方法和全量子处理的理论研究方法，并结合时间演化分块演化算法和遗传算法的数值计算方法。本项目预期的结果将对超冷旋量原子在非线性量子光学、量子信息科学、精密测量等领域的研究具有重要指导意义。

本项目集中研究了光晶格中超冷原子的光控局域激发及其动力学行为，项目首先集中研究了如何操控晶格系统中超冷原子间的相互作用，有别于固体系统中的短程碰撞相互作用，这里主要考虑由光场诱导的长程偶极-偶极相互作用。研究表明通过调节光势场参数，可以实现对晶格间耦合相互作用的有效调控，以此为基础，我们可以在这个系统中实现可调的局域自旋波激发和磁孤子。光学晶格由于其不存在任何杂质和缺陷的特点，为我们搞清楚诸如量子微粒（如冷原子等）在势阱之间如何进行量子隧穿，噪声和耗散是如何影响原子在势阱之间的量子运输以及量子和经典场是如何关联的等问题提供了理想而又丰富的环境。另一方面，光学晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚为研究超冷原子的磁学性质和自旋操控提供了一种新方法，其中光学晶格中的自旋波激发、控制和探测将为玻色-爱因斯坦凝聚在量子计算与量子信息处理等提供重要的指导。.伴随着量子信息技术的发展，寻找有效的量子比特载体是一个热点课题，在这方面，里德堡原子由于其诸多奇特的性质备受人们关注。比如，长程范德瓦尔斯力和偶极-偶极相互作用力、相对较长的寿命可在量子纠缠、量子逻辑门、量子控制方面得到广泛使用。另一方面，将电磁感应透明技术与里德堡原子体系结合，考虑里德堡阻塞效应，可以实现单光子源、单光子晶体管等全光量子器件。本项目的研究就是将对偶极-偶极相互作用的控制研究应用到该系统中。我们研究发现通过选择合适的双光子失谐调制振幅，可以实现衍射可控的原子光栅，我们进一步的研究表明，通过增加范德瓦尔斯相互作用，可以增加高阶衍射强度。我们的研究可以为设计新型里德堡量子装置提供指导性建议，比如全光的量子开关、大角度的量子分束器等。我们使用暗态绝热通道，充分考虑范德瓦尔斯力和偶极-偶极相互作用力的角色转变，实现了高可信的量子门，这部分的研究对理解里德堡体系中的多种相互作用机制有建设性意义，为设计新型的里德堡量子门提供了新的参考。