基于囚禁离子的强耦合机制量子模拟实验研究

Quantum simulators may outperform classical computational capacities due to their potential scalability. Their intrinsic physical behaviors are fully governed by the laws of quantum mechanics, making it possible to efficiently study complex quantum systems that cannot be solved by classical computers. Trapped ions have proved to be promising for experimentally simulating a variety of paradigmatic quantum models, mainly due to its great controllability...We propose a scheme based on ion trap system, to experimentally study the Strong Coupling Regime, which is essential to microscopic systems. We will first realize the quantum simulation of fermion-antifermion scattering mediated by bosonic modes, using a single multilevel trapped ion, which is a simplified model of fermion scattering in both perturbative and nonperturbative quantum electrodynamics. The simulated model exhibits prototypical features in quantum field theory including particle pair creation and annihilation, as well as self-energy interactions. Next we will realize the quantum simulation of the quantum Rabi model in all parameter regimes, in particular, the ultrastrong and deep strong coupling regimes of such a paradigmatic light-matter interaction. Finally, we will implement a stable trapping of multiple ions under high trap frequency, with a segmented anharmonic blade trap. With this new setup, we will realize an extended quantum field theory model, which includes either multiple fermions or multiple to continuous bosonic modes.

基于量子力学原理的量子模拟器由于其潜在的可扩展性，可以有效地求解复杂量子体系，甚至解决经典计算机完全无法解决的问题。囚禁离子系统，由于其出色的可操作性，已经被用来模拟许多不同类型的量子模型。..我们提出一种研究方案，利用离子阱装置在实验中理解并验证微观系统中非常重要的强耦合机制。我们首先将在囚禁单离子系统中实现包含一个费米子与一个反费米子通过玻色场发生相互作用的量子场论模型的量子模拟，并在此基础上研究费米子的自能相互作用，粒子对的产生湮灭等物理现象，特别关注的是强耦合机制下系统的行为。然后我们将实现量子Rabi模型在弱耦合机制、强耦合机制以及超强耦合机制下的量子模拟。最后在多离子实验阶段，我们将使用新开发的刀片式分段非谐阱，实现较高阱频率下多个离子的稳定囚禁。在此基础上实现量子场论模型的扩展模型，包括多个费米子对的扩展或者多个甚至连续玻色子模式的扩展。

基于量子力学原理的量子模拟器由于其潜在的可扩展性，可以有效地求解复杂量子体系， 甚至解决经典计算机完全无法解决的问题。囚禁离子系统，由于其出色的可操作性，已经被用来模拟许多不同类型的量子模型。 ..在本项目中，我们提出一种研究方案，利用离子阱装置在实验中理解并验证微观系统中非常重要的强耦合机制。我们首先将在囚禁单离子系统中实现包含一个费米子与一个反费米子通过玻色场发生相互作用的量子场论模型的量子模拟，并在此基础上研究费米子的自能相互作用，粒子对的产生湮灭等物理现象，特别关注的是强耦合机制下系统的行为。然后我们将实现量子Rabi模型在弱耦合机制、强耦合机制以及超强耦合机制下的量子模拟。最后在多离子实验阶段，我们将使用新开发的刀片式分段非谐阱，实现较高阱频率下多个离子的稳定囚禁。在此基础上实现量子场论模型的扩展模型，包括多个费米子对的扩展或者多个甚至连续玻色子模式的扩展。..通过项目实施，我们取得了如下重要成果：在单个囚禁离子中实现了一个基本量子场论模型的量子模拟，并观察了其在强耦合区域下的演化；在单个囚禁离子中实现了对量子Rabi模型的量子模拟，并在调节耦合强度过程中观察到了清晰的量子相变；实现了小型集成离子阱系统、微型刀片式离子阱、紫外多激光波长同时锁定以及多离子操控的实验优化；完成了量子机器学习、非厄密系统量子模拟等相关测试实验并在实验中获取了一批关键数据。..这些研究成果为后续基于离子阱的强耦合机制量子模拟研究工作提供了重要参考，同时促进了相关实验技术的发展。其中基于数字电路的实验技术具有一定的应用前景，并有希望制成相应的科研仪器。

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