[论文解读] State of the art and perspective on Atomtronics

Luigi Amico, M. G. Boshier+57 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 9

一句话总结

本文综述了原子电子学领域的最新进展，该领域利用在设计的磁阱或激光阱中捕获的超冷原子，构建具有增强控制力和精确度的量子电路。文章概述了原子电子学平台在量子模拟、传感以及新型量子器件方面的潜力，特别聚焦于碱土金属和里德伯原子在实现先进功能方面的应用。

ABSTRACT

Atomtronics deals with matter-wave circuits of ultra-cold atoms manipulated through magnetic or laser-generated guides with different shapes and intensities. In this way, new types of quantum networks can be constructed, in which coherent fluids are controlled with the know-how developed in the atomic and molecular physics community. In particular, quantum devices with enhanced precision, control and flexibility of their operating conditions can be accessed. Concomitantly, new quantum simulators and emulators harnessing on the coherent current flows can also be developed. Here, we survey the landscape of atomtronics-enabled quantum technology and draw a roadmap for the field in the near future. We review some of the latest progresses achieved in matter-wave circuits design and atom-chips. Atomtronic networks are deployed as promising platforms for probing many-body physics with a new angle and a new twist. The latter can be done both at the level of equilibrium and non-equilibrium situations. Numerous relevant problems in mesoscopic physics, like persistent currents and quantum transport in circuits of fermionic or bosonic atoms, are studied through a new lens. We summarize some of the atomtronics quantum devices and sensors. Finally, we discuss alkali-earth and Rydberg atoms as potential platforms for the realization of atomtronic circuits with special features.

研究动机与目标

• 综述物质波电路与原子芯片技术在量子应用方面的最新进展。
• 识别利用超冷原子构建相干量子网络所面临的关键挑战与机遇。
• 探讨碱土金属和里德伯原子在实现具备独特量子特性的新型原子电子学器件方面的潜力。
• 为基于原子电子学的量子技术在近期发展制定路线图。

提出的方法

• 设计并工程化具有可变形状和强度的磁阱或激光生成的原子导引结构，以控制物质波流。
• 利用处于相干叠加态的超冷原子，在受控的电路几何结构中模拟量子输运和多体现象。
• 将原子电子学网络作为研究平衡与非平衡量子动力学的平台。
• 利用原子与分子物理中的技术，实现对原子流和量子态的精确操控。
• 探索利用碱土金属和里德伯原子，因其具有增强的能级结构和强相互作用，可为先进电路功能提供支持。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计物质波电路以实现对相干原子流的精确控制？
• RQ2 原子电子学平台在模拟介观系统量子行为方面具有哪些关键优势？
• RQ3 碱土金属和里德伯原子在哪些方面可增强原子电子学器件的功能？
• RQ4 非平衡与平衡态下的量子输运现象在原子电子学网络中如何表现？
• RQ5 发展实用化的原子电子学量子传感器与器件的最有前景路径是什么？

主要发现

• 原子电子学网络为研究费米子与玻色子原子系统中的持久电流和量子输运提供了新方法。
• 相干物质波电路在控制量子态方面提供了更高的精度与灵活性，有助于实现先进的量子模拟。
• 原子芯片平台已实现可调控几何形状与相互作用强度的可控物质波电路。
• 使用碱土金属和里德伯原子为构建具有定制化相互作用与能级结构的原子电子学器件开辟了新可能。
• 原子电子学系统为在平衡与非平衡区域研究多体物理提供了强大平台。
• 基于原子电子学电路的量子模拟器为在受控环境中研究复杂量子现象开辟了新途径。