基於簡併光腔系統的量子模擬研究

《基於簡併光腔系統的量子模擬研究》是依託中國科學技術大學，由周正威擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於簡併光腔系統的量子模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周正威
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

量子模擬是量子信息領域一個非常重要而富有活力的研究方向。近年來，國際上掀起用光子學系統模擬拓撲物理的熱潮。現有的基於線性矽基光子學的量子模擬器固然對光子的人工規範場的模擬進行了實驗驗證，但是固化的系統缺少可調節性。本項目旨在設計一個能夠容載大量的光學軌道角動量模式的簡併光腔系統，以此光腔系統為基礎進行量子模擬器的構建、全光量子器件設計的理論研究。該光腔系統在模擬光子的拓撲物理中將具有明顯的優勢，可以同時實現系統的大規模和量子模擬的高度可調節性。我們擬開展的研究包括：（1）用簡併腔系統模擬阿貝爾和非阿貝爾規範場；（2）用簡併腔系統設計全光量子器件；（3）簡併腔系統跟光力系統結合，研究多模系統之間的非線性；（4）研究基於驅動耗散系統的非平衡量子相變；（5）研究一維系統和二維系統規範場的物理。

結題摘要

我們開拓了利用簡併腔系統支撐的光學人工維度模擬拓撲物質這一新領域，獲得與此相關的一系列量子模擬和全光量子器件設計的理論成果；亦獲得了在規範場下多體物態所展現的奇異物質相；在基於腔與原子相互作用系統的量子測量和量子相變的研究上獲得進展；等等。主要成果如下：1、提出了一系列基於簡併光腔系統模擬光學人工維度上拓撲物質的方案：給出一維光學人工維度上sharp邊界的構建方法；用二維的簡併腔結構模擬三維的外爾半金屬相；用單個簡併主腔輔以多個輔助光腔系統實現任意維有限格點的系統。2、提出了基於簡併光腔系統設計全光器件的思想，並設計了全光量子存儲器、濾波器和光學軌道角動量轉換開關。3、在規範場作用下多體系統的新奇物質相方面取得若干進展，理論上預言了在自旋軌道耦合和粒子間吸引相互作用下，三維空間中存在亞穩態的孤子；提出實現Haldane球麵條件的方法，並預言的Haldane球面上的新奇物質相；給出了雙層自旋軌道耦合系統中的基態相圖；給出了拓展的parafermion鏈上的基態相圖。4、在腔與原子相互作用系統中，研究了驅動-耗散情況下的非平衡相變；提出利用鎖相原子-光子耦合方法實現單模和雙模自旋壓縮態的方案。5、研究了幾何相和磁化係數保真度在穿越量子相變臨界點時的標度行為；以及如何利用修正的動力學退耦合脈衝序列壓縮幾何相位退相干。在項目執行期間，我們在 Nature 子刊、Physical Review Letters等高水平學術刊物上發表高質量學術論文 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，做國際、國內會議邀請報告26次。