冷原子与冷分子研究现状与趋势

　　于笑潇1，杨涛2，王兵3，吴根1
(1.科技部高技术研究发展中心;2.西北大学;3.西安交通大学)
冷原子与冷分子对于研究量子信息、量子模拟、精密测量，以及探索量子新奇物态都具有重要的科学意义。本报告对国内外冷原子与冷分子研究现状与趋势进行了梳理分析。
一、关于冷原子与冷分子
1.定义与特点
量子物理学奠定了现代文明的科学基础，量子调控与量子信息研究是当代物质科学与信息技术发展的重要前沿，冷原子与冷分子技术是量子调控和量子信息研究的强有力工具。
当原子被冷却到很低温度时，基本不需要考虑热激发;同时又处在超高真空中，可以避免外界影响，其物理性质的探测手段(光、电、磁)也很丰富多样。这些优良特性使得冷原子可以在量子物理研究的很多问题上大展身手，如量子模拟、量子精密测量、基本物理定律的验证、量子计算、原子光谱学应用、量子信息以及探索量子新奇物态等。
除了可以冷却中性原子，人们还可以加工原子之间的相互作用。当原子碰撞时，它们有可能结合形成分子，形成的分子与自由态的原子相比可能有着不同的能量。这开启了研究超冷化学的可行性，为研究复杂多体问题铺平了道路。
通过激光制冷等途径达至亚毫开尔文温度的冷原子和冷分子体系，既具有显著的宏观量子相干性，又可以通过Feshbach共振、光晶格、人造规范场等调控技术，令该体系具有高度灵活的人工精确可操控性。美国和法国的物理学家Steven Chu、Claude Cohen-Tannoudji、William D. Phillips由于在发展激光冷却原子技术中的杰出贡献获1997年诺贝尔物理学奖。
2.作用和意义
冷原子和冷分子体系是目前实验科学领域非常活跃的学科，已经成为实现量子调控和量子技术的重要载体和应用资源，实验的发展推动了冷原子物理的理论研究和相关应用，促进了量子模拟和量子操控等领域的发展，在量子存储和探测方面有重要应用。另外，冷原子体系在量子精密测量、原子激光、原子芯片等新兴量子器件方面也有很多实际应用。对冷原子和冷分子体系的深入研究，影响着国家在前瞻性战略科技领域的长远发展，将为构筑具有我国自主知识产权的量子调控与量子信息技术奠定坚实的科学基础。
二、世界研究现状与趋势
从1925年爱因斯坦预言玻色子在极低温度下会形成玻色-爱因斯坦凝聚体起，冷原子系统就一直吸引着理论和实验的研究。关于玻色-爱因斯坦凝聚的突破性进展，明确地展示了其与超流和超导等重要物理现象之间，存在着本质性的关联。
得益于激光冷却原子技术的发展，1995年美国JILA和MIT的E. Cornell、W. Ketterle和C. Wieman等人首次在碱金属原子气体中实现玻色-爱因斯坦凝聚，并获得2001年度诺贝尔物理学奖。玻色-爱因斯坦凝聚的实验实现，代表了人类对量子世界的操纵能力。自此冷原子和冷分子领域的研究经历了20余年的高速发展，特别是实验上结合Feshbach共振、光晶格、人造规范势等高度灵敏量子调控技术取得巨大进展，成为一个独特的理想实验平台，对原子、分子与量子光学、凝聚态物理、量子信息、精密测量，乃至核物理与粒子物理等多个研究领域产生重大影响。
利用Feshbach共振产生原子间的强吸引相互作用，可以研究强作用导致的费米子配对超流，其重要突破是2003年JILA、麻省理工学院等实验组分别实现了费米子配对超流。美国JILA研究所的实验组在2008年首次利用Feshbach共振结合受激拉曼绝热转移技术，实验上成功获得基态超冷KRb极性分子样品。
20世纪末以来，光晶格中的超冷原子气体成为量子模拟的重要平台之一。以利用光晶格技术实现各种格点模型的量子模拟，对系统的能带结构和拓扑性质、相互作用类型和强度等进行精密操控，从而揭示强关联体系的机理，启发对实际量子材料的研究。目前实验上可实现的光晶格中超冷原子分子系统，涵盖了单组分或多组分的玻色或费米简并原子气体、极性分子气体等不同种类，为各类量子模拟实验提供了基础。
2002年德国马普所的实验组，在光晶格中观察到超流到莫特绝缘体的量子相变。近5年来哈佛大学、麻省理工学院、德国马普所等实验组，先后发展了高精度原位成像技术，可以实现在单原子层次进行研究和操控。利用人造规范势实现等效磁场和自旋轨道耦合效应，以实现新型拓扑物态。2009和2011年美国国家标准局的实验组，在玻色凝聚体中分别产生了等效磁场和自旋轨道耦合效应。之后，瑞士苏黎世理工大学的实验组，实现了对具有反常量子霍尔效应的Haldane模型的量子模拟。近期，山西大学实验组以及中国科技大学实验组都在超冷玻色子和费米子中产生了非阿贝尔人工规范场。2002年慕尼黑大学成功实现玻色Hubbard模型，观测到超导-莫特绝缘态相变;2010年哈佛大学等单位实现对该相变在实空间的单格点直接观测。2015年6个小组实现了费米子单格点原位测控;2016年哈佛大学等单位观测到半满Hubbard模型的短程或长程反铁磁关联，该系统的量子模拟有望近期超越目前经典计算机的模拟能力。
在拓扑物态方面，巴黎高师、苏黎世理工、慕尼黑大学和MIT分别实现了二维Kosterlitz-Thouless相变、拓扑Haldane模型以及Hofstadter模型。2016年诺贝尔奖授予Kosterlitz，Thouless和Haldane，特别提到了冷原子量子模拟实验对他们理论的支持。
人们还在基于光晶格的碱土金属气体相干调控、大散射长度下的超冷原子气体研究、基态极性分子的量子调控等方面取得了系列重要进展。将多种量子调控技术相结合，研究具有强关联作用的量子物态、用超高分辨的原位测量技术进行表征，以及对非平衡态物理的研究，已成为冷原子与冷分子物理重要的发展方向。
目前，世界上几个主要科技强国在冷原子与冷分子领域的实验工作处于蓬勃发展的阶段，每年在《Nature》《Science》上发表的相关实验论文就约有20篇。美国的主要研究机构包括哈佛-麻省理工学院冷原子中心、科罗拉多大学及JILA研究所、国家标准局、普林斯顿大学、斯坦福大学、芝加哥大学、杜克大学等。在欧洲则形成了德国马普所、德国汉堡大学、瑞士苏黎世理工、奥地利因斯布鲁克大学、法国巴黎高师、英国剑桥大学、意大利佛诺伦萨LENS等超冷原子实验的中心。日本和新加坡等国家也都加大了对超冷原子分子实验的投入。
三、我国研究现状与水平
冷原子与冷分子研究的总体目标是发展高精度的人工操控，与超高分辨的原位测量等实验技术，结合多种调控技术，构建量子多体物理模拟和调控的物理平台，发现宏观量子相干体系中的新奇量子物态及其相变，探索非平衡物理的特性，研究基于该体系的量子模拟和精密测量，为新奇量子物态为基础的量子信息与量子计算方面的应用奠定基础，推动未来信息和材料产业领域取得重大科学与技术突破。
2002年中科院上海光机所在国内首先实现铷原子玻色凝聚以来，国内已有北京大学、中科院武汉物数所、山西大学、中科院物理所、中国科技大学、清华大学、华东师范大学等多家单位，实现了量子简并的铷、钾、镱、锂原子气体。
1.量子模拟研究
在光晶格超冷原子分子中，精准构建以Feshbach共振和相干光学精密调控为手段的物理模型，包括玻色和费米Hubbard模型、量子磁性模型以及准相对论的强相互作用模型等，通过原理与技术创新，在光晶格超冷原子体系中实验实现新奇的量子多体物态，探索高温超导电性的机制是目前研究重点。北京大学在玻色-爱因斯坦凝聚体的反常超辐射和玻色子的自旋轨道耦合研究方面，中国科技大学在锂、钾混合气体玻色-费米双超流，以及超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成方面，中国人民大学在大散射长度下的标度关系，山西大学在费米气体二维自旋轨道耦合，清华大学在玻色-爱因斯坦凝聚量子相变附近的确定性纠缠等方面，都取得了重要进展。
山西大学于2007年获得超冷Cs2分子样品研究其长程态光谱特性，获得了基态超冷RbCs分子量子气体，实现其量子态的外场操控;中科院物理所开展了对极性Feshbach分子的研究。这些突破显示出我国在超冷原子量子模拟相关研究方向上已走在国际最前列。
2.关键操控及精密测量技术研究
发展针对单个量子态的定位操控及单格点超高分辨光谱成像技术，发展磁光电相结合的优化制备低熵、高填充率的基态极性分子的量子合成技术，发展用于量子多体系统动力学特性测量的量子关联以及相干光谱等精密测量技术，实现量子相干和量子纠缠的长时间保持和高精度操纵，实现可扩展的量子信息处理，并应用于大尺度的量子计算和量子模拟;发展以量子关联模型和拓扑物态为基础的精密测量和原子钟方面的应用等是目前研究重点。
中科院上海光机所研制成功中国第一台空间冷原子钟正样产品，2016年9月15日搭载天宫二号载人航天飞行器入轨，成为国际上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟。北京自动化控制设备研究所和北京航空航天大学研制成功我国首个基于磁共振的高精度原子自旋陀螺仪原理样机。中国科技大学发展起光晶格中高分辨原位成像技术，并利用此技术开展了量子纠缠的研究，同时还利用冷原子量子存储首次实现了具有存储和读出功能的量子中继器基本单元，首次实现了测量器件无关的量子密钥分发。北京大学和中科院物数所在光晶格的相变和关联方面取得了系统的研究成果。
3.冷原子与冷分子物理的理论研究
中科院物理所、清华大学、复旦大学、中国科技大学、南京大学、北京大学、人民大学等开展了有成效的研究工作，在自旋轨道耦合的超冷原子研究、组错量子磁性、非常规超流性等方面做出许多具有国际影响的工作，处于国际先进或领先地位。
总体来看，我国在冷原子和冷分子研究方面已经具备较强的理论和实验技术储备，形成了一批优秀的研究团队，取得了一批有重要国际影响的研究成果，实现了从跟踪到并跑，甚至个别领域领跑的发展态势。相比国际前沿研究进展情况，国内超冷极性分子在制备方面差距较小，而光晶格中超冷极性分子研究方面需要加快步伐。
本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号：ZLY2015072)研究成果之一。
本文特约编辑：姜念云