光与原子相互作用、量子纠缠、量子模拟

科学意义

光晶格中的超冷原子与光子、超导、离子等一起成为开展量子计算和模拟、量子精密测量研究的重要物理系统。特别的，随着激光冷却技术的进步、超冷原子玻色-爱因斯坦凝聚体和光晶格中量子相变的实现，超冷原子物理研究成为连接微观物质世界和宏观凝聚物态的一座桥梁，并可用来模拟强关联量子多体系统、规范场论方程等，对基础物理学前沿和应用科学研究都将起到重要的推动作用，意义重大。

其中，规范场理论是目前最精密的物理学理论--标准模型的基础，科学家们求解规范场问题时往往碰到数值发散问题，于是提出用重整化的方法适当截断高阶展开项，降低问题复杂度。另外一个解决问题的思路是把连续时空中的规范场问题转化为晶格上的分立化数值问题—格点规范场理论。以上两种方法都对数值计算的算力形成了巨大挑战。

本课题组通过强关联人工量子材料的显微学研究，将有助于解决复杂的、经典超级计算机不能求解的量子多体问题，包括以上的强关联多体系统的相变、纠缠态的拓扑结构、格点规范场论问题求解等，是该领域的前沿科学问题。

基本思路

面向经典超级计算机不能求解的、有重要科学意义的量子多体问题，根据已有的实验基础，从大量纠缠原子对出发，制备数百个原子的多体纠缠态，研究其纠缠的拓扑结构；从量子模拟一维的格点规范场理论出发，构建二维的量子模拟器，模拟二维格点规范场理论；从阿贝尔规范场出发，探索量子模拟非阿贝尔格点规范场理论的新途径；从平衡态体系出发，研究非平衡格点规范理论的动力学和热化问题。

主要研究内容

1、多原子纠缠测控及其在量子计算中的应用

课题组将在产生大量原子纠缠对的实验基础上，研究如何有效地连接这些纠缠对逐步产生10-粒子、50粒子、100粒子纠缠并在实验上测量其纠缠度，探索其在量子计算方面的应用。

2、强关联人工量子材料的拓扑性质及其模拟格点规范场理论的应用

结合研究过程中发展起来的高分辨量子气体显微镜、全息相位片投影、自旋依赖超晶格技术，课题组可以实现如正方形、三角形、六角形晶格等任意形状的二维光晶格体系，我们将研究其中的量子涨落、拓扑量子态及模拟格点规范场理论。

3、临界点附近的量子模拟研究

当光晶格中的超冷原子处在超流-Mott绝缘态相变临界点附近时，系统的关联长度发散，从“还原论”角度出发用传统的方法求解体系的哈密顿量将变得不可行，难于描述这一区域的量子多体行为，而量子模拟方法研究凝聚态物理将在此区域大有可为。