超冷原子系统中的高保真度量子操控

Accurately controlling an ultracold atomic system represents an exciting new frontier for atomic, molecular, and optical physics; that frontier is endowed with a strong interdisciplinary character and connections to other scientific fields, including chemistry, quantum information, condensed matter physics, and astrophysics. Recently, these researches have shown the potential both to provide basic physical insight and to yield practical applications. In this proposal, high-fidelity as a fundamental requirement, we choose the ultracold many-body atomic systems with the particle interactions and focus on the high-fidelity quantum manipulation of ultracold atomic systems. By using the quantum many-body theory and the mean-field method, we will study the nonlinear tunneling dynamics, ranging from the high-fidelity superfast and superadiabatic quantum driving to composite adiabatic passage for ultracold atomic systems. We will establish the generalized high-fidelity superfast, superadiabatic and composite adiabatic passage theories in ultracold systems, and reveal the effect of the interaction between particles on the quantum speed limit, the superadiabatic process and the composite adiabatic passage. In addition, in this proposal we will also explore the applications above the manipulation protocols in the ultracold atomic system. These studies are expected to provide suggestions on probing the experimental observations and applications of the quantum manipulation in the ultracold atomic systems with the particle interactions.

超冷原子系统的精确调控是原子分子和光物理领域最活跃的前沿课题之一，它和化学、量子信息、凝聚态物理甚至天体物理紧密相关，有很强的基础理论价值和广阔的应用前景。本项目选择包含粒子间相互作用的超冷多体原子体系为研究对象，以高保真度为基本要求，采用量子多体理论和平均场方法，开展非线性系统高保真量子操控研究。主要内容包括相互作用超冷原子体系中的高保真度超快、超绝热量子驱动以及复合绝热通道量子操控三个方面，旨在探索粒子间相互作用对高保真度量子操控的影响，建立普适的超冷原子体系中高保真度超快、超绝热及复合绝热通道理论，揭示包含粒子间相互作用的超冷原子系统中量子速度极限、超绝热以及布居数反转中的隧穿动力学新规律，并探索这些高保真度操控技术在超冷原子系统中的应用。该研究为相互作用超冷原子系统有关高保真度量子调控的实验观测提供理论支持，并为其在量子信息等学科中的应用奠定理论基础。

超冷原子系统的精确调控是原子分子和光物理领域最活跃的前沿课题之一，有很强的基础理论价值和广阔的应用前景。本项目以包含粒子间相互作用的超冷多体原子体系为研究对象，以高保真度为基本要求，采用量子多体理论和平均场方法，开展了超冷原子系统高保真量子操控及其应用研究，主要包括以下四个方面的工作：（1）高保真度超快量子驱动问题。基于高保真度的超快量子驱动的实验和理论工作，研究了包含粒子间相互作用和非线性扫描两种非线性的两能级系统中超快量子驱动，揭示了非线性系统超快量子操控基本规律。（2）高保真度超绝热量子驱动问题。研究了超冷原子系统中啁啾高斯两能级模型、Demkov-Kunike模型以及Rosen-Zener模型的高保真度超绝热量子控制，实现了其高保真度、鲁棒性好和快速的超绝热布居数转移。（3）非线性隧穿动力学及其精确控制。研究了超冷原子系统非线性Demkov-Kunike跃迁动力学、非线性两能级系统跃迁动力学的精确控制、线性啁啾高斯模型中超冷玻色原子-分子转化动力学、非线性Ramsey干涉、人工规范场下双势阱中超冷原子系统的自囚禁以及局域化控制等。（4）高保真度量子操控的相关应用。利用缀饰态方法，实现了波导耦合器中高保真度快速绝热光转移和光分裂；利用高保真度绝热转移技术，建立了闭环三能级量子电池理论。该研究为超冷原子系统有关高保真度量子调控的实验观测提供理论支持，并为其在量子信息等学科中的应用奠定理论基础。依托该项目，出版专著1部（科学出版社），在国内外著名期刊发表相关论文12篇，其中Physical Review A 1篇，Optics Letters 1篇，Nonlinear Dynamics 1篇，Europhysics Letters 2篇，Physica A 1篇，Journal of the Optical Society of America B 1篇，Journal of Physics B 1篇，The European Physical Journal D 1篇，Optik 1篇，激光与光电子学进展1篇，西北师范大学学报1篇。