强关联多体系统的量子仿真和量子相的探测方法的研究

利用人工的量子多体的仿真平台来仿真重要的量子多体系统，是当前量子调控的重要的研究方向之一。但迄今为止，对于某些重要的强关联模型，如由于相互作用强度的竞争所导致的阻挫模型，在理论上很少有物理实现的方案提出。同时，如何在量子仿真平台上来有效探测量子关联和奇异的量子相，采用有效物理手段来探测量子相变，是量子仿真研究不可或缺的重要方面，充满着未知的问题。本项目拟就如下内容开展研究：（1）在理论上提出各种强关联多体模型物理实现的量子仿真方案（研究某些重要的具有阻挫效应的多体模型、具有非阿贝尔任意子激发的二维拓扑序系统等）；（2）在人工量子仿真的平台上，提出有效地实现量子相或量子关联探测的新的方法；（3）研究动力学过程同量子相变的联系；（4）在线性光学系统中对上述若干的理论成果进行原理性的实验演示。

利用人工的量子多体的仿真平台来仿真重要的量子多体系统，是当前量子调控的重要的研究方向之一。项目围绕着量子模拟的物理实现以及量子相、量子相变的探测等问题展开，取得了如下主要成果：.1）在强关联多体系统的量子仿真方面，提出在冷原子系统中实现J1-J2阻挫自旋模型、在超导系统中实现一维阻挫Ising模型的理论方案；提出一种在微腔-原子系综中构建具有特殊非线性的拓展玻色-哈巴德模型的方案，并系统研究了该模型的量子基态性质，发现该非线性效应所导致的一阶相变、以及对莫特绝缘-超流相变中的奇偶效应的调制；从理论上获得了具有非阿贝尔任意子激发的quantum double模型的拓扑基态的制备和操控方法，给出了可以演示该模型拓扑性质的系统的最小规模。.2）在新型的量子仿真平台的探索、量子相和量子相变的探测方面，在理论上提出一种可以容纳大量轨道光学角动量模式的简并光腔系统，该系统可以以极少的物理资源来模拟人工规范场，同时物理参数具有很好的可调节性，在这个系统中可以模拟拓扑量子相变，探测系统的拓扑边缘态和能带陈数等；研究了超导传输线腔耦合超导人工原子系统中的新型Dicke-Ising模型，研究了该模型的新型的量子相、量子相变及其探测方式。.3）在基于线性光学量子模拟方面，同实验组合作，完成了麦克斯韦妖型冷却的实验工作。.4）在冷原子物理方面，系统地研究了原子间具有周期调制的相互作用的一维BEC系统的超流和稳定性；有自旋轨道耦合的超冷玻色气体中在有旋转对称梯度场下的量子相变；理论上首次预言在自旋轨道耦合作用下三维自由空间中存在稳定的孤子。.5）研究了超强耦合作用下电磁场矢势平方项对量子操作的影响，预言了在崩塌-复原动力学中存在双峰结构，该结构可以作为电磁场矢势平方项效应的显现；研究了利用高阶的动力学退耦合过程来实现原子的自旋压缩的控制。.上述成果中，用简并光腔系统模拟拓扑物理的工作有更为重要的意义和价值。这是由我们发明的一个新型的量子模拟平台，它有很大的潜力来实施各种量子模拟的任务。该理论工作发表于Nature Communications，审稿人评价该工作：“…将对量子模拟领域产生重大的冲击。”.项目实施期间，发表SCI论文14篇（包括1篇Nature Communications，1篇Nature Photonics，1篇PRL，10篇PRA（B）），做国际、国内会议邀请报告14次。