基于光晶格的超冷原子量子模拟

来源：中国物理学会期刊网

|作者：颜 波(浙江大学物理系) 

本文选自《物理》2021年第1期

图4 动量空间合成维度量子模拟 (a)拓展的SSH模型研究。构造更高内部维度的SSH模型，并观测其相变；(b)通过切换奇偶耦合的方法实现动量空间量子行走；(c)通过一个热库构造了一个等效的耗散A—B环结构，实现超冷原子在动量空间的非对易传输

因为这一方案具有强大的系统哈密顿量编辑能力，大大提高了量子模拟系统的通用性。比如，通过设计奇偶耦合强度不同，就可以容易地构造出SSH模型，非常方便地观测到边缘态等[31]。我们小组也利用这一系统开展了诸多研究工作。 图4(a)展示了一个更高内部维度的 SSH 模型模拟[21]，验证了理论上提出的更高内部维度下拓扑不变量的测量方式，并观测到了相变过程。图4(b)研究了一个量子行走过程[33]。通过对奇—偶耦合的切换开关控制，实现了超冷原子动量空间的量子行走。而原子本身之间存在相互作用，通过改变相互作用强度和隧穿强度的比值，我们观测到了相互作用诱导的局域化过程。在相互作用占优势情况下，量子行走过程将被压制住。图4(c)展示了一个量子传输的实验研究工作[23]。首先，通过次近邻耦合构造出一个A—B环结构，通过将左边一条链看做等效的热库，我们构造出了一个耗散A—B环的结构。此结构同时破坏了镜像和时间反演对称性，因此会显示出非对易传输的特征。通过调节 A—B 环上的相位和耗散系数，我们在实验上观测到了超冷原子动量空间中的非对易性输运。

4 结语

十多年来超冷原子的量子模拟研究取得了丰硕的成果，这得益于超冷原子优越的量子特性。光晶格的加入是一个关键因素，让其找到非常扎实，而且有重要科学意义的落脚点。合成维度的研究算是光晶格技术的一个扩展，可以带来一些新的思路。当然，在超冷原子量子模拟取得很大成绩的同时，也看到其限制和瓶颈。由于超冷原子的纯净，实验结果往往和理论吻合很好。因此超冷原子的量子模拟也常被批评为对理论重复验证。如何能超越一般的理论模拟，是超冷原子量子模拟研究的一个关键点。原子之间存在相互作用，使得我们的研究工作超越一般的单粒子图像，进入多体物理领域。这是超冷原子量子模拟的一个特色和优势，是体现其科学意义的一个重要方面。要想获得新的发展，找到新的落脚点是关键所在。拓扑量子模拟研究近年来在超冷原子系统迅速发展，是一个重要方向。但同时也要看到，拓扑量子模拟在声子、光子等系统中也发展迅速。另外，近年来量子计算方向得到长足发展，特别是超导量子比特系统，使得其量子模拟的能力获得重大提升。面对这些挑战时，超冷原子量子模拟如何发展，如何体现超冷原子体系的特色和不可替代性，可能还需要契机和灵感。

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