混合量子系统中的多体效应及其应用

The interdisciplinary field of hybrid quantum systems pursues the integration of different quantum systems from AMO and solid-state physics to harness their combined functionalities in an optimal way. Prominent examples are long-lived spin ensemble quantum memories for superconducting qubits or (opto-)mechanical quantum transducers, which are currently experimentally implemented for future quantum information processing applications..The general aim of this project is to identify and analyze a new and range of applications for hybrid quantum systems for the study of non-equilibrium quantum many-body effects and phase transitions in open quantum systems. For that purpose the hybrid system approach offers many, still unexplored advantages for combining dissipative and coherent elements in a controllable and scalable way. The focus of this project is two-fold: i) We will analyze the implementation of collective spin models in hybrid quantum system arrays consisting of spin ensembles coupled to microwave cavities and show that this system can serve as prototype model for identifying universal features of non-equilibrium phase transitions in open quantum systems. ii) We will study superconducting qubit arrays with integrated nanomechanical resonators for the implementation of spin models coupled to engineered local reservoirs. This will provide a first realistic approach for simulating open many-body quantum systems coupled to unconventional reservoirs, exhibiting, for example, strong site-dependent temperature variations, or mixed positive and negative temperatures. Analyzing these specific models will open a path for hybrid quantum system arrays as a new quantum simulation platform for non- equilibrium and open quantum many-body systems.

混合量子系统带来的跨领域研究让原子分子光学和固态量子系统中不同系统的结合成为了可能，并促使了优化整合各方面优点的深入研究，具有非常广阔的研究前景，而且其近期已经在实验上取得进展并准备应用到未来的量子信息产业中。本项目的总体目标是确定和分析混合量子系统在研究开放系统下非平衡量子多体效应以及量子相变的各种可能性以及有前景的应用。在此目标下，如何可控并可规模化地结合耗散和相干元素？混合系统提供良好的解决方案，并具备多种已知的和还未发现的优点。本项目的研究重点有两个：1）研究自旋系综和微波腔组成的混合量子阵列系统，并论证该系统作为通用原型来研究开放量子系统中非平衡量子相变等物理性质；2）设计整合超导量子比特阵列以及纳米机械阵子的混合量子系统，并用该系统来研究具有可控热库的开放量子多体系统会具有的特殊物理性质。这些新模型将开辟混合量子阵列系统研究量子多体问题的新方向。

混合量子系统中的少体及多体效应及其应用的研究是近十几年来物理学研究中重要的前沿课题。虽然已有不少研究，但由于混合系统的交叉特性依然存在许多未知的问题。例如: 如何实现不同系统间高效且强的耦合机制进而在现有技术下实现量子态的相干操控；又如将多个混合量子系统单元连接成多体系统后的有趣物理现象及其应用等。 该项目研究了如何将原子、声子和超导比特等构成混合系统的耦合机制、理论模型、计算方法和具体应用。探索了混合系统中多点相互作用以及多单元之间的量子态制备、传递和变换等有趣物理效应。研究了可由混合量子系统构建的非厄密系统的体边特性和功统计性质。主要的结果有：1）构建了通过量子涨落实现原子声子有效相互作用模型，提出了通过该机制下的如频率转换等应用的有效方案。2）研究了混合多体及多节点系统中，量子态的传递与制备方案。3）研究了多体非厄密系统中拓扑莫特绝缘体的基本性质，以及提出了非厄密系统中的功统计方法。 在项目基金的支持下，截至结题报告撰写时已发表或接受论文8篇，审稿论文2篇，具体包括1篇Phys. Rev. Lett.、1篇Phys. Rev. Applied、1篇Phys. Rev. Research、1篇Phys. Rev. B、1篇Phys. Rev. E、1篇Opt. Express和2篇Front. in Phys.。我们研究成果不仅有助于促进量子光学和多体物理之间的交叉融合，而且对于新型量子器件的研发提供一定的理论基础和思路。