金奇奐研究組成功在囚禁離子系統中模擬量子拉比模型

2018年05月15日 瀏覽次數: 0

清華大學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日發表于國際學術期刊《物理評論X》(Phys. Rev. X)。

圖 1 深強耦合區域量子拉比模型的基態

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的最有希望的應用之一。目前，已經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）是描述光與物質相互作用的基本模型之一。

最近，人們研究當光與物質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域）時的QRM的興趣日益增加。當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或退激發相關的光子的吸收或發射現象。當耦合強度增加時，QRM哈密頓量的基態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，但并沒有通過實驗觀察到它們。

在這項工作中，我們的實驗系統是被囚禁在由振蕩電場產生的諧振子勢阱中的單個171Yb +離子。通過適當地調節聚焦于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的旋轉坐標系中產生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象，如在超強和深強耦合區域的奇特現象。例如，我們通過實驗觀察到旋轉波近似的失效和往復運動的聲子波包的出現。最重要的是，我們絕熱地制備了深強耦合區域QRM的基態，并檢測到玻色子場和二能級系統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，巴斯克地區大學的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研究計劃項目（項目編號：2016YFA0301900、2016YFA0301901）和國家自然科學基金項目（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）