[论文解读] Roadmap on Atomtronics

Luigi Amico, M. G. Boshier+55 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本文提出了一项关于原子电子学的全面路线图，该领域是利用在设计的磁阱或激光阱中捕获的超冷原子，构建相干物质波电路的量子技术。论文综述了原子芯片设计与物质波电路技术的进展，强调了其在量子模拟与精密传感中的应用，并指出碱土金属和里德伯原子是下一代原子电子学器件的有前途平台。

ABSTRACT

Atomtronics is an emerging field of quantum technology dealing with matter-wave circuits of ultra-cold atoms manipulated in magnetic or laser-generated guides of different shapes and intensity. Atomtronic circuits are promised to define quantum networks of new types in which coherent fluids can be feasibly controlled with the know how of the atomic and molecular physics quantum technology. This way, atomtronics can provide the basis for new quantum devices with enhanced precision, control and flexibility. At the same time, new quantum simulators and emulators harnessing coherent current flows can be defined. Here, we survey the atomtronics-enabled quantum technology and we draw a roadmap on the field for the years to come. The latest progress achieved in matter-wave circuits design and atom-chips are reviewed. Atomtronic networks have been used as platforms to study many-body physics in a new way, both at equilibrium and at non-equilibrium. Relevant problems in mesoscopic physics, like persistent currents and quantum transport in circuits of fermionic or bosonic atoms, have been studied with a new twist. We discuss the state of the art and the perspectives for the quantum devices and sensors implied by coherent matter-wave physics principles. Finally, we discuss alkali-earth and Rydberg atoms as great potential platforms for the realization of atomtronic circuits of a new type.

研究动机与目标

• 综述原子电子学的当前状态，并识别关键技术与科学里程碑。
• 概述物质波电路在实现新型量子网络与器件方面的潜力。
• 探讨相干原子流如何模拟复杂的多体与介观量子系统。
• 评估碱土金属与里德伯原子作为下一代原子电子学电路先进平台的可行性。
• 识别量子传感与相干原子流控制领域中的开放挑战与未来研究方向。

提出的方法

• 利用超冷原子在磁阱或激光生成的势阱中形成可调谐的物质波电路。
• 采用原子芯片技术设计复杂几何结构并控制相干原子流。
• 应用物质波电路模拟费米子与玻色子系统中的非平衡与平衡多体物理。
• 利用相干电流流动研究原子电路中的量子输运与持久电流。
• 探索碱土金属与里德伯原子的独特性质，以增强原子电子学器件中的控制力与相干性。
• 整合原子与分子物理的原理，以设计可扩展的量子器件与传感器。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计超冷原子的物质波电路，以实现对相干原子流的精确控制？
• RQ2 原子芯片技术的关键进展有哪些，使其能够实现复杂原子电子学网络？
• RQ3 原子电子学电路在介观系统中如何模拟非平衡与平衡多体现象？
• RQ4 原子电路中的持久电流与量子输运与电子对应物有何不同？
• RQ5 碱土金属与里德伯原子在下一代原子电子学器件发展中具有哪些优势？

主要发现

• 近期在物质波电路设计与原子芯片制造方面的进展，已实现可控的相干原子流系统。
• 原子电子学网络已成功用于研究平衡与非平衡态下的多体物理。
• 费米子与玻色子原子系统中的持久电流与量子输运已在原子电子学平台中实现并得到研究。
• 相干物质波物理为开发具有更高可调性的新型量子模拟器与模拟器提供了稳健的框架。
• 碱土金属与里德伯原子因其丰富的内部能级结构与强相互作用，被确认为下一代原子电子学电路的极具前景候选者。
• 该领域正朝着基于相干原子流的可扩展量子器件与传感器发展，具备实现高精度测量与控制的潜力。