基于简并光腔系统的量子模拟研究

Quantum simulation is one of active and hot research fields in quantum information. Recently, simulating topological physics via photonics systems is becoming a hot trend. Although a new kind of quantum simulator based on linear silicon photonics enable simulating synthetic magnetic fields for photons to reach experimental demonstration the solidified system reduces the tunable ability as a quantum simulator. We plan to theoretically design a new type of degenerate optical cavity including a large number of optical orbital angular momentum modes for constructing all-optical quantum simulators and quantum devices. As far as such new kind of quantum simulator is concerned, there are obvious benefits for simulating photonics topological physics which involves highly tunability and constructing the system in large scale. We plan to carry out theoretical investigation in the following aspects: (1) to simulate Abelian and Nonabelian synthetic gauge fields for photons via degenerate optical cavities (2) to design all-optical quantum devices (3) to investigate the effects induced by nonlinear interactions among multi-modes by coupling the degenerate optical cavity system with optical mechanics systems (4) to investigate non equilibrium quantum phase transition based on driving-dissipation systems. (5) to investigate physics on 1-dimention and 2-dimension gauge fields.

量子模拟是量子信息领域一个非常重要而富有活力的研究方向。近年来，国际上掀起用光子学系统模拟拓扑物理的热潮。现有的基于线性硅基光子学的量子模拟器固然对光子的人工规范场的模拟进行了实验验证，但是固化的系统缺少可调节性。本项目旨在设计一个能够容载大量的光学轨道角动量模式的简并光腔系统，以此光腔系统为基础进行量子模拟器的构建、全光量子器件设计的理论研究。该光腔系统在模拟光子的拓扑物理中将具有明显的优势，可以同时实现系统的大规模和量子模拟的高度可调节性。我们拟开展的研究包括：（1）用简并腔系统模拟阿贝尔和非阿贝尔规范场；（2）用简并腔系统设计全光量子器件；（3）简并腔系统跟光力系统结合，研究多模系统之间的非线性；（4）研究基于驱动耗散系统的非平衡量子相变；（5）研究一维系统和二维系统规范场的物理。

我们开拓了利用简并腔系统支撑的光学人工维度模拟拓扑物质这一新领域，获得与此相关的一系列量子模拟和全光量子器件设计的理论成果；亦获得了在规范场下多体物态所展现的奇异物质相；在基于腔与原子相互作用系统的量子测量和量子相变的研究上获得进展；等等。主要成果如下：.1）提出了一系列基于简并光腔系统模拟光学人工维度上拓扑物质的方案：给出一维光学人工维度上sharp边界的构建方法；用二维的简并腔结构模拟三维的外尔半金属相；用单个简并主腔辅以多个辅助光腔系统实现任意维有限格点的系统。.2）提出了基于简并光腔系统设计全光器件的思想，并设计了全光量子存储器、滤波器和光学轨道角动量转换开关。.3）在规范场作用下多体系统的新奇物质相方面取得若干进展，理论上预言了在自旋轨道耦合和粒子间吸引相互作用下，三维空间中存在亚稳态的孤子；提出实现Haldane球面条件的方法，并预言的Haldane球面上的新奇物质相；给出了双层自旋轨道耦合系统中的基态相图；给出了拓展的parafermion链上的基态相图。.4）在腔与原子相互作用系统中，研究了驱动-耗散情况下的非平衡相变；提出利用锁相原子-光子耦合方法实现单模和双模自旋压缩态的方案。.5）研究了几何相和磁化系数保真度在穿越量子相变临界点时的标度行为；以及如何利用修正的动力学退耦合脉冲序列压缩几何相位退相干。.在项目执行期间，我们在 Nature 子刊、Physical Review Letters等高水平学术刊物上发表高质量学术论文 20篇，包括Nature Communications 1 篇、Physical Review Letters 4篇、Physical Review A（B）11 篇、Science Bulletin 1篇，New Journal of Physics 3篇），做国际、国内会议邀请报告26次。