精密测量院等应邀撰写量子可积性的最新研究进展

　　近期，精密测量院研究员管习文与合作单位博士贺鹏应英国物理学会（IOP）旗下国际期刊《物理学进展报告》（Reports on Progress in Physics）邀请撰写了题为“量子可积新趋势：近期超冷原子实验”（New trends in quantum integrability: Recent experiments with ultracold atoms）的研究进展报告。论文介绍了若干一维量子严格可解模型和广义流体动力学方法，着重讨论和分析了近期关于一维冷原子系统中的多体物理现象的重要实验结果，并展望了该领域未来的发展趋势。文章于2022年6月17日发表在《物理学进展报告》。  

量子牛顿单摆的实验实现

（a）经典牛顿单摆；（b）囚禁的准一维玻色气体实现了量子牛顿单摆。在时间t=0时刻，一维相互作用超冷原子被布拉格光脉冲分成反向运动的两部分，在经历四分之一周期时，两部分达到最大分离状态；然后它们向中心位置移动，经历二分之一周期相遇后又沿相反方向运动，再一次分开；体系经历几十时毫秒时间的演化和多次振荡无法达到平衡状态。本实验观测到的现象涉及到一维量子可积体系是否能够热化，也是一维量子多体物理的公开难题。

　　二十多年来超冷原子实验物理学家成功制备了简并玻色、费米以及玻色-费米混合系统并在其中观测到许多新奇的物理现象。近十年来，低维超冷量子气体的实验制备使得一些重要的一维量子多体现象得以确定性的验证，如今超冷原子已经成为模拟一维量子多体问题的有力工具。另一方面，未来的量子科技一般是基于小尺度量子态的精确操控，因此不可避免的要研究低维量子多体系统。一维量子可积体系的研究为超冷原子物理实验和量子精密测量提供了从理论到实验的基准性判据和指导。

　　管习文领导的量子可积系统研究组近些年来在一维量子多体物理学的研究中取得了若干在世界上颇有影响力的研究成果，多项理论预言被发表在《Science》及《Nature》等重要期刊的实验所验证。2013年他和其他合作者受世界另一顶尖期刊《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）主编邀请撰写了长达59页的关于一维费米气体的综述文章，综述了一维费米气体自1967年到2013年的重要发展过程及标志性成果。此次新发表的《物理学进展报告》文章首先从量子可积系统的理论出发，介绍了Lieb-Liniger模型、Yang-Gaudin模型、多分量费米气体等具有代表性的量子气体的精确解，讨论了这些模型的Bethe波函数、能谱、热力学、关联函数和普适的临界行为等。特别地，该文章对近期发展的广义吉布斯系综（Generalized Gibbs Ensemble，GGE）和广义流体动力学 (Generalized hydrodynamics, GHD) 理论进行了介绍。随后，文章着重介绍了与上述严格可解模型密切相关的最新冷原子实验。2006年David Weiss团队在一维束缚超冷玻色气体中观测到量子牛顿摆（Newton’s cradle），参见图一，引发了关于广义流体动力学和广义吉布斯系综的系列研究，量子可积系统的非平衡动力学和动力学费米化的实验也是当前的热点课题。更进一步地，他们深入阐述了最新的一维实验进展，包括量子绕异性（quantum holonomy）、自旋-电荷分离现像、Luttinger 液体、临界现象、Haldane分数量子统计、集体激发、SU(N)高数学对称性的费米气体和量子杂质等独特的一维多体现象。 最后，他们展望了一维超冷原子体系未来量子科技的潜在应用，包括用来探测引力、测试量子多体纠缠、实现量子热机和制冷等重要应用前景。

　　该理论工作获得国家自然科学基金项目及科技部重点研发计划的资助。

　　文章链接:

　　https://cfn-live-content-bucket-iop-org.s3.amazonaws.com/journals/0034-4885/85/11/114001/revision2/rop_85_11_114001.pdf?AWSAccessKeyId=AKIAYDKQL6LTV7YY2HIK&Expires=1666968009&Signature=uiV268BmE1gqZivC8f4eVW2G1H0%3D