[论文解读] Atomtronic circuits: from many-body physics to quantum technologies

Luigi Amico, Dana Anderson+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 22被引用 10

一句话总结

本文综述了原子电路领域的最新进展，其中超冷原子在物质波电路中被引导，以探索多体量子物理并推动量子技术的发展。文章详细介绍了利用光学和磁势的实验平台，展示了如持久电流和量子干涉等相干输运现象，并概述了在量子传感、量子模拟和量子计算中应用原子电路元件（如SQUID、晶体管和干涉仪）的前景。

ABSTRACT

Atomtronics is an emerging field that aims to manipulate ultracold atom moving in matter wave circuits for both fundamental studies in quantum science and technological applications. In this colloquium, we review recent progress in matter-wave circuitry and atomtronics-based quantum technology. After a short introduction to the basic physical principles and the key experimental techniques needed to realize atomtronic systems, we describe the physics of matter-waves in simple circuits such as ring traps and two-terminal systems. The main experimental observations and outstanding questions are discussed. We also present possible applications to a broad range of quantum technologies, from quantum sensing with atom interferometry to future quantum simulation and quantum computation architectures.

研究动机与目标

• 提供原子电路作为基础量子多体物理和新兴量子技术平台的全面综述。
• 弥合超冷原子在介观电路中的理论模型与相干输运及量子效应实验实现之间的鸿沟。
• 探索原子电路元件（如晶体管、二极管、电池和SQUID）的设计与功能，其行为类比于电子对应元件。
• 突出原子电路系统在量子模拟、高精度干涉测量和可扩展量子信息处理方面的潜力。
• 概述未来方向，包括与光子和超导电路的集成，以及向费米子和里德堡原子平台的拓展。

提出的方法

• 利用静态激光、时间平均场、空间光调制器和原子芯片生成的光学和磁势，将超冷原子限制并引导在定制的电路几何结构中。
• 采用描述环形和两终端系统中多体物理的玻色子、费米子和杂质的模型哈密顿量。
• 利用如玻恩-哈伯德模型和费米子的BCS-BEC连续变化等理论框架，分析介观电路中的相干输运。
• 实验实现了环形阱中持久电流和环状凝聚体的两终端电导，验证了相干量子输运。
• 提出了基于三阱势的约瑟夫森结、环形干涉仪和晶体管等原子电路元件。
• 提出将原子电路与光子和超导电路混合集成，以实现可扩展的三维物质波器件。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用光学和磁势在物质波电路中实现超冷原子的相干引导？
• RQ2 在原子电路环和介观结构中，持久电流和量子输运等多体量子效应的关键特征是什么？
• RQ3 原子电路元件（如晶体管、二极管和SQUID）如何实现并类比于其电子对应元件的功能？
• RQ4 原子电路在强关联体系的量子模拟和高精度量子传感方面有何前景？
• RQ5 如何将原子电路系统与其他量子技术集成，以实现可扩展、功能完整的量子器件？

主要发现

• 在玻色子环形阱中已实验观测到持久电流，相位相干性在长时间内保持稳定，证明了超冷原子系统中存在拓扑保护。
• 环状凝聚体中两终端电导测量显示出量子化电导台阶，表明存在相干量子输运，且受相互作用和无序的影响。
• 基于环形几何结构中约瑟夫森结的原子SQUID表现出与磁通相关的干涉条纹，可实现对磁场和惯性力的高灵敏度探测。
• 利用束缚玻色-爱因斯坦凝聚体制作的紧凑原子干涉仪对惯性和电磁场表现出增强的敏感性，相位移与相对论时间膨胀效应相关。
• 基于三阱势的原子晶体管实现了门控控制的物质波放大和振荡，可产生高相干性的物质波源。
• 理论提议表明，基于费米子和里德堡原子的电路可实现更快、更鲁棒的原子电路器件，并具备新颖的量子调控能力。