[论文解读] Computing with soliton trains in Bose-Einstein condensates

Florian Pinsker|arXiv (Cornell University)|May 17, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新颖的光学计算方法，利用单组分和多组分玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中的孤子脉冲列，通过可调制的原子相互作用将数据编码在孤子脉冲列的频率上。通过调控相互作用和相位工程，孤子频率被控制以实现信息的存储与处理，结果通过密度分布特征读出。

ABSTRACT

Optical computing devices can be implemented based on controlled generation of soliton trains in single and multicomponent Bose-Einstein condensates (BEC). Our concepts utilize the phenomenon that the frequency of soliton trains in BEC can be governed by changing interactions within the atom cloud. We use this property to store numbers in terms of those frequencies for a short time until observation. The properties of soliton trains can be changed in an intended way by other components of BEC occupying comparable states or via phase engineering. We elucidate in which sense such an additional degree of freedom can be regarded as a tool for controlled manipulation of data. Finally the outcome of any manipulation made is read out by observing the signature within the density profile.

研究动机与目标

• 探索在玻色-爱因斯坦凝聚体中使用孤子脉冲列作为光学计算介质的可行性。
• 研究原子相互作用和相位工程如何用于控制孤子脉冲列频率以实现数据编码。
• 识别多组分BEC中额外自由度如何实现对存储数据的受控操控。
• 建立基于观察孤子脉冲列密度分布特征的读出机制。
• 展示一种可逆、可控且可观测的方法，用于在量子简并原子系统中存储和处理信息。

提出的方法

• 利用BEC中孤子脉冲列的频率作为存储数值数据的载体。
• 通过外部场调节原子云内的相互作用来控制孤子脉冲列的频率。
• 利用相位工程以及多组分BEC中额外组分的存在来调制孤子动力学。
• 利用简并量子态中原子的集体行为来稳定和操控孤子脉冲列。
• 通过观察操控后产生的密度分布图案来读出数据。
• 依赖非线性薛定谔方程框架来模拟阱中BEC内孤子的形成与演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 BEC中孤子脉冲列的频率能否被精确控制以编码用于计算的数值？
• RQ2 多组分BEC态和相位工程如何实现对基于孤子的数据的操控？
• RQ3 密度分布在此类基于孤子的计算系统中起何种作用以实现可靠的状态读出？
• RQ4 BEC内部的相互作用在多大程度上可被调节以实现可编程的数据存储与处理？
• RQ5 基于孤子脉冲列的信息编码在BEC中的基本极限与稳定性特性是什么？

主要发现

• 通过可调制的原子相互作用，BEC中孤子脉冲列的频率可被控制，从而实现以不同频率形式编码数据。
• 相位工程以及多组分BEC中额外组分的存在为操控孤子动力学提供了额外的自由度。
• 操控后系统的状态可通过密度分布中的可观测特征可靠读出。
• 该系统支持使用量子简并原子云实现可逆且可控的数据存储与处理。
• 该方法展示了在超冷量子气体中利用相干物质波实现光学计算的可行路径。
• 该方法能够以孤子脉冲列频率的形式实现信息的短期存储，并可通过受控相互作用进一步处理。