[发明专利]一种基于冷原子体系的通用量子模拟器

说明书

本发明实施例提供一种基于冷原子体系的通用量子模拟器，利用碱金属原子超精细结构塞曼磁子多能级体系模拟多维物理与化学模型，通过聚焦映射关系可将具体物理与化学模型映射到原子特定的能级。通过调控任意波形器所产生微波信号的强度、频率与相位，便可实现二能级间的任意耦合。结合多个任意波形产生器，便可以实现多维体系的任意调控。根据具体物理体系调控要求，通过调节微波信号便可以实现所述通用量子模拟器；具有普适的特性，具有不受限于特定物理与化学模型的优势，可以实现任意多维体系的量子模拟，对于当前量子科技突飞猛进的时代，具有广阔的应用前景和科研价值。

技术领域

本发明实施例涉及量子模拟技术领域，尤其涉及一种基于冷原子体系的通用量子模拟器。

背景技术

1982年，美国著名物理学家理查德·费曼(Richard P.Feynman)构思了一种依靠微观粒子运行的超级强大的计算器，称之为“量子计算机”。他的中心思想是：量子设备可以利用量子纠缠和量子叠加原理来进行经典计算机无法进行的运算。从该思想衍生出两个新的概念：量子计算与量子模拟。量子模拟是利用可控的量子系统去模拟待研究的量子系统，它可以作为一种有效的实验手段用于研究经典计算机难以计算的问题和实验条件无法实现的现象。

在凝聚态物理的研究中，虽然在很多方面已经取得很辉煌的成就，但由于实验系统以及研究手段的限制，在强关联多体领域还存在很多没完全解决的问题，如高温超导、量子磁体、量子相变等。通过构建量子模拟器，这些问题便可以进行实验研究。在量子模拟过程中，研究人员往往关心一些临界现象，如相变点。量子模拟过程不需要较高保真度的量子操控，因此引起了广泛的关注。通用量子模拟是通过建立研究对象和模拟器之间的映射，利用可控的量子体系直接模拟要研究的量子体系的哈密顿量。由于模拟体系的哈密顿量和被模拟的模型哈密顿量是对应的，可以根据所要研究的问题来选取合适的投影来研究系统的动力学或基态性质。通用量子模拟最重要的优点在于它对模拟器的操控精度要求相对较低，具有一定的容错能力，即使在有误差的情况下也能有效。

发明内容

本发明实施例提供一种基于冷原子体系的通用量子模拟器，通过精确操控微波场频率与偏振便可实现具体物理与化学模型的量子模拟，在科学研究及工业应用方面均具有重要的科学意义。

第一方面，本发明实施例提供一种基于冷原子体系的通用量子模拟器，包括三维磁光阱、玻璃真空腔、原子释放剂和光电倍增管探测器；

所述玻璃真空腔，用于形成封闭的高真空背景环境；

所述原子释放剂，用于向真空玻璃腔中释放模拟器所需的原子；

所述三维磁光阱，用于构建囚禁原子所需要的四极磁场，将所述原子囚禁在所述四极磁场中心以形成冷原子团；

所述光电倍增管探测器，用于探测原子荧光提取经过演化后的原子信息。

相对于现有技术，本发明实施例将复杂的难以实现的模型转化为等价的量子模型进行模拟，更加直接的了解其内部机制；利用冷原子超精细塞曼磁子能级进行编码与映射相应的具体物理与化学模型。其性质有：通过调节微波强度、频率与相位便可实现任意形式的耦合；原子能级更加稳定，相同环境下不同原子能级是相同的，相比于人造原子，其具有更加稳定的特点。

作为优选的，所述三维磁光阱包括一对反亥姆霍兹线圈和三对对射激光光束；

所述反亥姆霍兹线圈用于在所述玻璃真空腔内形成四极磁场；

三对对射激光光束照射至所述照射至所述反亥姆霍兹线圈的线圈中心处，使线圈中心处的原子受到一个处处指向线圈中心的光学散射力，以俘获和冷却原子。

作为优选的，所述原子释放剂具体用于在电流加热时，进行还原反应并释放出模拟器所需要的碱金属原子。

作为优选的，还包括多个微波喇叭，所述微波喇叭用于向所述冷原子团辐射微波脉冲。