金奇奐研究組成功在囚禁離子系統(tǒng)中模擬量子拉比模型
金奇奐研究組成功在囚禁離子系統(tǒng)中模擬量子拉比模型
2018年05月15日 瀏覽次數(shù): 0
清華大學(xué)交叉信息研究院量子信息中心金奇奐研究組成功地在囚禁離子系統(tǒng)中模擬了量子拉比模型。該成果論文《用一個囚禁離子模擬量子拉比模型》于4月30日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論X》(Phys. Rev. X)。
圖 1 深強耦合區(qū)域量子拉比模型的基態(tài)
量子模擬可能是像量子計算機一樣可被相干控制的量子系統(tǒng)的最有希望的應(yīng)用之一。目前，已經(jīng)有許多用冷原子或囚禁離子進行量子模擬的成功演示。然而，這些演示大多被限制在利用系統(tǒng)的自旋自由度，如Ising自旋模型的模擬。在這項工作中，我們首次同時對自旋和玻色子自由度進行量子模擬。我們所模擬的量子拉比模型（QRM）是描述光與物質(zhì)相互作用的基本模型之一。
最近，人們研究當(dāng)光與物質(zhì)之間的耦合強度接近或比光本身的頻率更大（即所謂的超強或深強耦合區(qū)域）時的QRM的興趣日益增加。當(dāng)耦合強度與玻色子場的模式頻率相比小得多時，量子拉比模型可以簡化為Jaynes-Cummings模型（JCM），這一模型簡單地描述了與自旋激發(fā)或退激發(fā)相關(guān)的光子的吸收或發(fā)射現(xiàn)象。當(dāng)耦合強度增加時，QRM哈密頓量的基態(tài)揭示了自旋和光子之間的糾纏，如圖1所示。雖然我們能夠從理論上推斷出QRM哈密頓量的奇異基態(tài)，但并沒有通過實驗觀察到它們。
在這項工作中，我們的實驗系統(tǒng)是被囚禁在由振蕩電場產(chǎn)生的諧振子勢阱中的單個171Yb +離子。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)聚焦于171Yb +離子上的拉曼激光束的頻率， 我們在一個與激光頻率相關(guān)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中產(chǎn)生QRM哈密頓量。在這個有效哈密頓量中，我們可以通過簡單地調(diào)整激光頻率來任意地控制耦合強度和模式頻率的比率。囚禁離子模擬器的可控性使我們能夠通過實驗探索QRM的許多通常難以觀測的現(xiàn)象，如在超強和深強耦合區(qū)域的奇特現(xiàn)象。例如，我們通過實驗觀察到旋轉(zhuǎn)波近似的失效和往復(fù)運動的聲子波包的出現(xiàn)。最重要的是，我們絕熱地制備了深強耦合區(qū)域QRM的基態(tài)，并檢測到玻色子場和二能級系統(tǒng)之間的非平凡的量子糾纏。
圖 2 量子拉比模型的能譜。在實驗中，我們通過相干驅(qū)動的方式來測量量子拉比模型的能譜。
本實驗由交叉信息研究院的博士研究生呂定順博士、安碩明博士和劉振宇博士共同完成。交叉信息研究院的助理研究員張靜寧，巴斯克地區(qū)大學(xué)的Julen S. Pedernales博士、Lucas Lamata教授和Enrique Solano教授為實驗提供理論支持。該工作的第一作者是呂定順博士，通訊作者是張靜寧和金奇奐。這項工作受到中國國家重點科學(xué)研究計劃項目（項目編號：2016YFA0301900、2016YFA0301901）和國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：11374178，11574002，11504197）的支持。
論文全文鏈接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.021027
（文/呂定順、張靜寧、金奇奐）
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