高能物理的超冷量子模拟——格点规范场及冷原子实现

在现代物理学中,高能物理和冷原子、分子物理似乎有着明显的研究界限。前者通常在亚原子的尺度上, 讨论高速运动的相对论性基本粒子的物理性质;而后者往往在原子或分子尺度上讨论低能、低速粒子的运动规律。 那么,是否有必要,并且有可能利用超冷原子、分子来模拟高能基本粒子的物理行为是一个有趣的问题。同时,因 其连接了当今物理学的两个重要且广泛的研究方向,这一问题在发掘高低能物理之间的普遍联系和拓宽物理学的 研究范畴方面也蕴含着一定的潜在价值。在过去的几年中,人们已经在这个新的研究方向上做出了一系列有趣的 尝试,并获得了一些可喜的进展。在这个系列文章中,我们回顾近期高能物理量子模拟的重要进展,其中包括阿贝 尔和非阿贝尔规范场的量子模拟、量子场论模型的冷原子量子实现、高能模型的数字化模拟手段、方法等。因为这 是一个高度交叉的领域且发展迅速,我们拟根据前沿进展和自身的研究情况,分期完成这一系列进展综述,并期望 这一综述可以引起相关领域的研究者的兴趣。本文重点介绍高能物理量子模拟的研究意义和价值,并讨论阿贝尔 规范场的量子模拟和冷原子实现。

基于量子Fisher信息的量子计量进展

量子计量是超冷原子气体研究中的一个热点领域.超冷原子体系独特的量子性质(量子纠缠)和量子效应有助于大幅度提高待测物理量的测量精度,这已经成为量子精密测量中的共识.量子Fisher信息对该领域的发展起了非常重要的作用.本文首先介绍量子Fisher信息的基本概念和量子计量的主要内容;然后简要回顾这些理论在提高测量精度方面的应用,特别是多粒子量子纠缠态的产生及其判定;再介绍线性和非线性原子干涉仪的相关进展;最后论述量子测量过程中的统计方法的研究进展.

自旋-轨道耦合玻色爱因斯坦凝聚中多能级绝热消除理论

在量子光学中,绝热消除可以简化多能级量子系统,它通过消除快速振荡自由度、保留慢变量动力学,从而获得系统的有效描述.绝热消除在量子模拟和量子精密测量中具有重要应用,比如利用三能级拉曼耦合和绝热消除人们在超冷原子中实现了自旋-轨道耦合.本文在三能级绝热消除的基础上研究三能级非厄米系统与多能级系统中绝热消除的理论方法及其推广,验证了绝热消除理论在非厄米系统和多能级系统中的有效性与准确性.本文研究可为耗散的多能级量子系统中的态制备和动力学操控提供理论基础.

具有平带的一维十字型晶格中重返局域化现象

数值研究了在具有平带的一维十字型晶格中引入准周期调制所诱导的重返局域化现象.当参数Δ≠0时,此平带系统等价于存在一个双频率调制的行为.通过数值求解分形维度、平均逆参与率、平均归一化参与率等序参量证明了在一维十字型晶格中随着调制强度的增加会经历2次局域转变,即发生第1次局域化转变进入完全局域相后,继续增加调制强度,一些局域态重新恢复成了退局域化态,进一步增加调制强度,系统将再次进入完全局域化相.最后给出了局域化相图.当参数Δ=0时,此系统仅存在单频率调制.通过解析和数值求解证明了,系统存在解析的迁移率边,但不存在重返局域化.该研究结果为平带系统中重返局域化的研究提供了参考,也为重返局域化的研究提供了新的视角.

一维非厄米十字晶格中的退局域-局域转变

本文研究了在具有平带的一维非厄米十字晶格中引入准周期调制所诱导的退局域-局域的转变.通过解析推导和数值分析分形维度和能谱的实复转变,发现在非厄米单平带十字晶格中引入对称的准周期调制会引起扩展相到局域相的转变,而反对称准周期调制能够诱导出精确的迁移率边.在非厄米全平带十字晶格中,对称的准周期调制情况下,系统一直处于局域相,当引入反对称的准周期调制时,系统具有从多重分形相到局域相的转变.该研究结果为非厄米平带的局域化性质研究提供了参考.

基于深度学习的光学表面杂质检测

在基于激光技术的现代光学实验和光学应用中,光学元器件表面的微杂质和微缺陷是影响光学系统精密程度的主要因素之一,因而光学表面杂质和缺陷的定位检测是一个重要的问题.本文提出利用深度神经网络来辅助光学杂质检测的理论方案.模拟了一束探测激光脉冲照射到具有单个微小杂质的光学表面时,反射信号和透射信号中所携带杂质的位置信息可被一个深度卷积神经网络学习并定位.此外,通过改变杂质大小、折射率等属性生成了一系列泛化数据集,并讨论了神经网络在泛化数据集上的表现.泛化结果表明,神经网络对杂质位置的预测能力具有较高的鲁棒性.最后,还对比了卷积神经网络和全连接神经网络这两种不同架构网络的学习能力.

随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化

本文数值研究了在一维非厄米的硬核玻色模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象.随着无序强度的增强,系统的能谱统计分布从AI■对称类向二维泊松系综过渡,多体本征态的归一化参与率展示了从有限值到接近零的转变,半链纠缠熵服从体积律到面积律的转变,动力学半链纠缠熵表现为从线性增长到对数增长的转变.数值结果表明,在该模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象的鲁棒性.该研究结果为非厄米系统中多体局域化的研究提供了新的视角.

一维接触排斥相互作用单自旋翻转费米气体的基态和淬火动力学性质

基于严格解方法,研究了一维排斥相互作用单自旋翻转费米气体的基态和淬火动力学性质.借助Bethe波函数,基态和不同本征态之间的单体关联函数和两体关联函数可以表示为简单函数之和,这一简洁形式可以极大地降低计算难度.系统初始状态为无相互作用的基态,当迅速把相互作用强度调节为有限大时,动量分布和关联函数出现周期性的振荡行为;当相互作用调节为比较弱时,振荡周期性好且振荡幅度小,系统可以用二能级模型近似;当相互作用调为非常强时,振荡周期性变差且振荡幅度大,但是依然存在主周期.此时整体偏离初态较远,但是在时间为mL^(2)/(2πh)时系统非常接近初态.

非厄米耦合链中的局域化转变

本文研究了受复数准周期势调制的一维耦合链中系统的局域化特性.通过研究发现随着无序强度增大的过程中,系统会经历一个从完全扩展相到中间相,再转变成完全局域相的局域转变.通过数值求解不同的序参量证明了转变过程中完全扩展相,具有迁移率边的中间相和完全局域相的存在.并且通过解析推导,可以精确求解出扩展相到中间相和中间相到局域相的局域化转变点.此外,还研究了系统能谱实-复转变与局域化转变之间的关系,发现系统能谱可以经历两次实复转变.即从完全扩展相到中间相的转变中,会发生第一次实复转变,部分能谱从实数谱转变为复数谱,但是部分能谱依然保持为实数谱.当系统从中间相转变为完全局域相时,系统能谱会完全转变为复数谱.该研究结果为一维耦合链系统中局域化转变和实复转变的研究提供了一些新的理解和参考.

双腔双光力系统中的光非互易传输特性

光学非互易器件是光学系统中重要的组成部分,例如光隔离器.为了提高这类器件的隔离特性,提出一种双腔双光力系统,系统以两种大小不同的光力耦合强度分别与两光学腔相耦合.该系统在红失谐场的驱动下,通过调控相位差既可以实现光非互易现象,又能决定光在系统中透过与隔离的方向,这种性质来源于光力耦合相互作用和光学腔模耦合之间的量子干涉效应.研究过程中把系统中相关算符用其平均值加各自的相对涨落值来表示,然后由涨落值利用输入-输出关系得到系统的传输振幅,进而得到系统隔离率.讨论了系统隔离率随光力耦合强度变化的分布情况,发现两个力学振子的共同作用能使系统有更高的容错率.该系统通过选用一个品质因数更高的力学振子,能够实现两种特定频率光的较大隔离率,并且同时能够保证共振频率信号的反向传输.

耗散诱导的非厄米边缘爆发重现

开放量子系统在一定程度上可由等效的非厄米哈密顿量来描述,因此探究非厄米系统的耗散作用有许多重要的现实意义.本文研究了开边界条件下一维非厄米系统中与耗散强度相关的动力学规律,发现耗散可诱导边缘爆发重新出现.粒子在开边界条件下的一维非厄米耗散晶格系统中进行含时演化后,系统存在边缘爆发即在边缘处有较大的粒子损失概率,而增大胞内跃迁强度后边缘爆发消失,研究发现若增大或者减小耗散强度,边缘爆发会重新出现.这种重现的与原先的边缘爆发有所不同,主要表现为粒子的损失概率分布由边缘分布趋向于体分布,这是由于两种情况下粒子运动方向的概率不同;更深层的原因与非厄米系统远离宇称-时间对称破缺点有关.另外还研究了杂质势垒对非厄米动力学中粒子损失概率分布的影响,结果表明在无耗散的A格点上放置很小的势垒就能明显地阻碍粒子运动,并且当势垒增大到一定高度后,其对粒子运动的影响趋于不变.

极端条件下的致密物质相

粒子物理标准模型的强相互作用基本理论表明,在极端致密条件下可以形成特殊的物质相——致密核物 质和夸克胶子等离子体(Quark-Gluon Plasma,QGP)或夸克物质。冷密核物质是构成致密天体——中子星的重要 成分,而寻找被认为是大爆炸模型中早期宇宙所处的状态的热密量子色动力学(Quantum Chromodaynamics,QCD) 物质——QGP,是目前重离子碰撞实验的重要目标之一。笔者简要回顾了致密物质相的微观描述方法和实验室探 测,由核物质相到 QGP 相变的研究会使人们更加深入理解强相互作用的基本理论。

有限温度下腔光机械系统中N个二能级原子的相变和热力学性质

研究了含有非线性相互作用的腔机械系统中 N个二能级原子在有限温度下的相变和相关的热力学性质,采用虚时路径积分方法推导出系统的配分函数,求得系统的有效作用量.通过对有效作用量进行变分得到系统的热力学平衡方程和原子布居数期待值的解析表达式,重点研究了原子-场耦合强度、非线性原子-光相互作用、非线性声子-光子相互作用等影响下系统的相变,发现除了会发生由正常相到超辐射相的二阶相变外,还会出现正常相和亚稳的超辐射态共存的现象,同时会发现三相(正常相、超辐射相、亚稳的超辐射态)共存点.有限温度的升高,会使正常相到超辐射相的二阶相变点向原子-场耦合强度增大的方向移动;当非线性原子-光相互作用(正或负)增强时,相变点会向原子-场耦合强度弱的方向移动;声子-光子相互作用会导致出现超辐射不稳定态;有限温度下,在正常相区熵为定值,而在超辐射相区熵随原子-场耦合强度的增强迅速递减为零.

双光腔耦合下机械振子的基态冷却

机械振子的基态冷却是腔量子光力学中的基本问题之一.所谓的基态冷却就是让机械振子的稳态声子数小于1.本文通过光压涨落谱和稳态声子数研究双光腔光力系统(标准单光腔光力系统中引入第二个光腔,并与第一个光腔直接耦合)的基态冷却.首先得到系统的有效哈密顿量,然后给出朗之万方程和速率方程,最后分别给出空腔和原子腔的光压涨落谱、冷却率和稳态声子数.通过光压涨落谱、冷却率和稳态声子数表达式,重点讨论空腔时机械振子的基态冷却,发现当满足最佳参数条件(机械振子的冷却跃迁速率对应光压涨落谱的最大值,而加热跃迁速率对应光压涨落谱的最小值)时,机械振子可以被冷却到稳态声子数足够少.此外分析:当辅助腔内注入原子系综时,若参数选择恰当可能更利于基态冷却.

双光腔光机械系统的动力学相变和选择性能量交换

本文探究了单腔和双腔光机械装置的动力学相变和选择性能量交换.发现系统会经历类似于Dicke-Hepp-Lieb超辐射型的动力学相变,且两光场间的正交动量耦合出现一个新的动力学临界点.两光场间的正交动量耦合等价于单(双)模光机械系统的外场驱动.通过耦合参数的调控,系统可以实现任意两模间的选择性能量交换,且临界耦合点与选择性能量交换对应.模压缩是能量转换的标志,且任何两模的正交压缩由特定玻色模间的能量交换决定.

局域表面等离子体谐振辅助的高效率宽频带可调谐偏振转换超表面

结合狄拉克半金属研究了一种基于各向异性构型的可调谐宽频带太赫兹偏振转换超表面,其中的狄拉克半金属线阵列有利于费米能的调控.研究结果表明,该超表面可以实现宽带高效率的偏振转换,在谐振模式处具有半波片特性.这种转换特性源于局域表面等离子体激元谐振的激发和结构自身的各向异性.当入射角在0°—40°范围内变化时,能保持高效的宽带偏振转换特性,大于40°后,宽带转换逐渐转变为双带或多带转换.此外,发现AlCuFe的费米能从65 meV增大至140 meV过程中,偏振转换效率能维持在很高水平,并且转换性能由单带转换变为宽带转换再变为带较宽的宽带转换与带较窄的单带转换.同时,通过讨论结合了不同类型狄拉克半金属的超表面,得出了狄拉克半金属的金属性越好,相应超表面的宽带偏振转换性能越优的结论.最后,基于类法布里-珀罗谐振腔的多重干涉理论对数值结果进行了验证.

磁性硅烯超晶格中电场调制的谷极化和自旋极化

研究了基于硅烯的静电势超晶格、铁磁超晶格、反铁磁超晶格中谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的输运性质,分析了铁磁交换场、反铁磁交换场以及化学势对输运性质的影响,讨论了电场对谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的调控作用.结果表明:当3种超晶格的晶格数达到10以上时,在硅烯超晶格中很容易实现100%的谷极化、自旋极化和赝自旋极化,而且通过调节超晶格上的外加电场可以使极化方向发生翻转,从而在硅烯超晶格中实现外电场对谷自由度、自旋自由度以及赝自旋自由度的操控.

由超辐射引起的迁移率边和重返局域化

研究了束缚在梯子形光晶格中的中性原子与高精度腔耦合的系统,发现由超辐射引起的准周期调制可以导致迁移率边和重返局域化现象的出现.在平均场近似下,超辐射现象可以引起两种不同频率的准周期调制,它们可以由腔场和泵浦场有效调节.在本文的观测范围内,当高频调制强度小于某一临界值时,系统随着低频调制强度的增加经历一次局域转变.通过数值求解分形维度、密度分布、平均参与率、平均逆参与率以及标度分析,证明了局域转变历经的临界相区存在迁移率边;当高频调制强度大于临界值时,随着低频调制强度的增强,系统依次经历完全扩展相-临界相-完全局域相-临界相-完全局域相,这是一个典型的重返局域化现象.最后给出了局域化相图.该研究结果为超辐射相变和重返局域化现象的研究建立了联系,也为重返局域化的研究搭建了新的平台.

半开放系统中的粒子逃逸问题

研究了半开放系统中粒子向开放空间的隧穿问题.考虑由无限高的墙和多个δ函数势垒组成的半Dirac梳模型,首先求解该模型的精确解析解,其能量本征函数可以用递推关系以封闭解析的形式给出.对单个势垒、多个势垒、无序势垒等不同情况,利用傅里叶积分计算了任意时刻单粒子波函数的明确表示,导出了由初态保真度定义的粒子生存几率闭合形式的表达式,重点研究了粒子生存几率对势垒高度、无序强度等系统参数的依赖,以及利用相关参数对衰减规律的操控及抑制.发现多个势垒将大幅度提高粒子的生存几率,无序的加入会极大地抑制其随时间的振荡.

基于狄拉克半金属的可调谐的太赫兹宽频带纯线偏振转换器

本文基于新型材料狄拉克半金属(Dirac semimetals,DSs),设计了一款高纯度宽频带可调谐线偏振转换器,偏振转换率(PCR)超过99%的相对带宽为15.72%。在频段5.25~6.14 THz内,椭度角接近0°,偏振方位角约等于-90°。这种转换性能主要是源于顶层超表面的各向异性和局域的表面等离子体激元谐振(LSPRs)的激发。此外,通过改变费米能的大小可以使所设计的偏振转换器在不同的频带范围内实现宽频带偏振转换。最后,通过半解析的方法对偏振转换特性进行了理论分析。该设计在太赫兹通信、成像、无损检测等领域具有一定的应用价值,同时为宽频带可调谐太赫兹线偏振转换器的设计提供了新思路。