开放量子多体系统中的非平衡稳态与动力学性质研究

Almost all the quantum systems are inevitably coupled with their environment. Understanding the quantum (many-body) systems immersed in the environment is one of the most important topics in modern physics, and has become rapidly developing interdisciplinary fields between condensed matter, atomic and molecular and quantum optics, quantum computation based on solid-state devices. In this kind of open quantum many-body system, the interplay between the intrinsic many-body effect in the system and the outside environment gives rise to enormous novel and interesting non-equilibrium quantum many-body phenomena, which provides a new perspective to quantum many body physics. In the meantime, understanding the open quantum many-body systems is of great practical significance due to its potential relations with quantum information and quantum processing techniques. In this project, we will generalize the numerical techniques in the quantum many-body systems, e.g. Quantum Monte Carlo and Density Matrix Renormalization Group method, into the open quantum many body systems, and study their dynamical and steady state properties. In the meanwhile, we will devote special attention to problems arise from relevant experimental systems. In addition, we will establish international collaborations by the support of this project.

研究环境对量子系统尤其是量子多体系统状态的影响，是现代物理学中的重要前沿课题之一，也是凝聚态物理、原子分子物理与量子光学、固态量子信息，以及非平衡统计物理等前沿学科的交叉研究领域。在这类开放的量子多体系统中，系统内部量子多体效应和外部环境交互作用，产生出大量新奇的非平衡量子多体现象，为量子多体物理的研究提供了新的视角。从应用角度看，量子器件等不可避免面临量子系统与环境交互作用；开放量子多体物理系统的研究将对以固态量子信息、里德堡原子与束缚离子阱系统为代表的新一代量子信息与计算实验研究具有重要的指导意义。本项目将运用量子多体物理中的数值方法， 如量子蒙特卡洛方法和密度矩阵重整化群方法，研究开放量子多体系统的稳态和动力学性质，同时针对相关实验系统中出现的具体问题进行研究，为人们理解环境对量子多体系统影响的普适性特性奠定基础。通过这方面的研究，我们将建立国际交流合作和培养1-2名博士研究生。

量子关联体系是凝聚态物理最重要的研究领域之一。近年来，随着激光冷却技术和可扩展量子计算的迅速发展，在凝聚态物理、原子分子物理与量子光学和量子信息之间的交叉领域产生了一系列远离平衡态的耗散人造量子关联体系。其非平衡或开放性等特性为这类体系带来一些与固体电子材料中完全不同的新奇的量子关联效应和演生现象。同时，这类问题对关联电子输运、量子信息处理和量子器件的调控有着十分重要的意义。 针对这类新型的人造量子系统，上海交通大学蔡子自2016年9月开始主持了国家自然科学基金面上项目“开放量子多体系统中的非平衡稳态与动力学性质研究”课题（项目编号：11674221）.本课题实施四年以来，基于本课题的研究，取得了多项具有代表意义的研究成果。具体研究成果均以学术论文形式发表在有国际影响力的学术期刊上。以第一或通讯作者发表学术论文9篇，其中包括2篇Phys.Rev.Lett.，1篇ESI高被引论文，1篇Cell旗下综合内子刊iScience, 1篇以EXPRESS LETTERS的形式发表于国内物理学重要期刊Chin.Phys.Lett（以上论文均为通讯作者）。同时，在包括世界纯粹于应用物理年会等重要国际学术会议做邀请报告十余次。