于笑瀟1，楊濤2，王兵3，吳根1

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.西北大學(xué);3.西安交通大學(xué))

　　冷原子與冷分子對于研究量子信息、量子模擬、精密測量，以及探索量子新奇物態(tài)都具有重要的科學(xué)意義。本報(bào)告對國內(nèi)外冷原子與冷分子研究現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行了梳理分析。

　　一、關(guān)于冷原子與冷分子

　　1.定義與特點(diǎn)

　　量子物理學(xué)奠定了現(xiàn)代文明的科學(xué)基礎(chǔ)，量子調(diào)控與量子信息研究是當(dāng)代物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)發(fā)展的重要前沿，冷原子與冷分子技術(shù)是量子調(diào)控和量子信息研究的強(qiáng)有力工具。

　　當(dāng)原子被冷卻到很低溫度時(shí)，基本不需要考慮熱激發(fā);同時(shí)又處在超高真空中，可以避免外界影響，其物理性質(zhì)的探測手段(光、電、磁)也很豐富多樣。這些優(yōu)良特性使得冷原子可以在量子物理研究的很多問題上大展身手，如量子模擬、量子精密測量、基本物理定律的驗(yàn)證、量子計(jì)算、原子光譜學(xué)應(yīng)用、量子信息以及探索量子新奇物態(tài)等。

　　除了可以冷卻中性原子，人們還可以加工原子之間的相互作用。當(dāng)原子碰撞時(shí)，它們有可能結(jié)合形成分子，形成的分子與自由態(tài)的原子相比可能有著不同的能量。這開啟了研究超冷化學(xué)的可行性，為研究復(fù)雜多體問題鋪平了道路。

　　通過激光制冷等途徑達(dá)至亞毫開爾文溫度的冷原子和冷分子體系，既具有顯著的宏觀量子相干性，又可以通過Feshbach共振、光晶格、人造規(guī)范場等調(diào)控技術(shù)，令該體系具有高度靈活的人工精確可操控性。美國和法國的物理學(xué)家Steven Chu、Claude Cohen-Tannoudji、William D. Phillips由于在發(fā)展激光冷卻原子技術(shù)中的杰出貢獻(xiàn)獲1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　2.作用和意義

　　冷原子和冷分子體系是目前實(shí)驗(yàn)科學(xué)領(lǐng)域非?；钴S的學(xué)科，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)量子調(diào)控和量子技術(shù)的重要載體和應(yīng)用資源，實(shí)驗(yàn)的發(fā)展推動(dòng)了冷原子物理的理論研究和相關(guān)應(yīng)用，促進(jìn)了量子模擬和量子操控等領(lǐng)域的發(fā)展，在量子存儲和探測方面有重要應(yīng)用。另外，冷原子體系在量子精密測量、原子激光、原子芯片等新興量子器件方面也有很多實(shí)際應(yīng)用。對冷原子和冷分子體系的深入研究，影響著國家在前瞻性戰(zhàn)略科技領(lǐng)域的長遠(yuǎn)發(fā)展，將為構(gòu)筑具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的量子調(diào)控與量子信息技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

　　二、世界研究現(xiàn)狀與趨勢

　　從1925年愛因斯坦預(yù)言玻色子在極低溫度下會形成玻色-愛因斯坦凝聚體起，冷原子系統(tǒng)就一直吸引著理論和實(shí)驗(yàn)的研究。關(guān)于玻色-愛因斯坦凝聚的突破性進(jìn)展，明確地展示了其與超流和超導(dǎo)等重要物理現(xiàn)象之間，存在著本質(zhì)性的關(guān)聯(lián)。

　　得益于激光冷卻原子技術(shù)的發(fā)展，1995年美國JILA和MIT的E. Cornell、W. Ketterle和C. Wieman等人首次在堿金屬原子氣體中實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚，并獲得2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。玻色-愛因斯坦凝聚的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，代表了人類對量子世界的操縱能力。自此冷原子和冷分子領(lǐng)域的研究經(jīng)歷了20余年的高速發(fā)展，特別是實(shí)驗(yàn)上結(jié)合Feshbach共振、光晶格、人造規(guī)范勢等高度靈敏量子調(diào)控技術(shù)取得巨大進(jìn)展，成為一個(gè)獨(dú)特的理想實(shí)驗(yàn)平臺，對原子、分子與量子光學(xué)、凝聚態(tài)物理、量子信息、精密測量，乃至核物理與粒子物理等多個(gè)研究領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

　　利用Feshbach共振產(chǎn)生原子間的強(qiáng)吸引相互作用，可以研究強(qiáng)作用導(dǎo)致的費(fèi)米子配對超流，其重要突破是2003年JILA、麻省理工學(xué)院等實(shí)驗(yàn)組分別實(shí)現(xiàn)了費(fèi)米子配對超流。美國JILA研究所的實(shí)驗(yàn)組在2008年首次利用Feshbach共振結(jié)合受激拉曼絕熱轉(zhuǎn)移技術(shù)，實(shí)驗(yàn)上成功獲得基態(tài)超冷KRb極性分子樣品。

　　20世紀(jì)末以來，光晶格中的超冷原子氣體成為量子模擬的重要平臺之一。以利用光晶格技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種格點(diǎn)模型的量子模擬，對系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫再|(zhì)、相互作用類型和強(qiáng)度等進(jìn)行精密操控，從而揭示強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的機(jī)理，啟發(fā)對實(shí)際量子材料的研究。目前實(shí)驗(yàn)上可實(shí)現(xiàn)的光晶格中超冷原子分子系統(tǒng)，涵蓋了單組分或多組分的玻色或費(fèi)米簡并原子氣體、極性分子氣體等不同種類，為各類量子模擬實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。

　　2002年德國馬普所的實(shí)驗(yàn)組，在光晶格中觀察到超流到莫特絕緣體的量子相變。近5年來哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、德國馬普所等實(shí)驗(yàn)組，先后發(fā)展了高精度原位成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在單原子層次進(jìn)行研究和操控。利用人造規(guī)范勢實(shí)現(xiàn)等效磁場和自旋軌道耦合效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)新型拓?fù)湮飸B(tài)。2009和2011年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的實(shí)驗(yàn)組，在玻色凝聚體中分別產(chǎn)生了等效磁場和自旋軌道耦合效應(yīng)。之后，瑞士蘇黎世理工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)組，實(shí)現(xiàn)了對具有反常量子霍爾效應(yīng)的Haldane模型的量子模擬。近期，山西大學(xué)實(shí)驗(yàn)組以及中國科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)組都在超冷玻色子和費(fèi)米子中產(chǎn)生了非阿貝爾人工規(guī)范場。2002年慕尼黑大學(xué)成功實(shí)現(xiàn)玻色Hubbard模型，觀測到超導(dǎo)-莫特絕緣態(tài)相變;2010年哈佛大學(xué)等單位實(shí)現(xiàn)對該相變在實(shí)空間的單格點(diǎn)直接觀測。2015年6個(gè)小組實(shí)現(xiàn)了費(fèi)米子單格點(diǎn)原位測控;2016年哈佛大學(xué)等單位觀測到半滿Hubbard模型的短程或長程反鐵磁關(guān)聯(lián)，該系統(tǒng)的量子模擬有望近期超越目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬能力。

　　在拓?fù)湮飸B(tài)方面，巴黎高師、蘇黎世理工、慕尼黑大學(xué)和MIT分別實(shí)現(xiàn)了二維Kosterlitz-Thouless相變、拓?fù)銱aldane模型以及Hofstadter模型。2016年諾貝爾獎(jiǎng)授予Kosterlitz，Thouless和Haldane，特別提到了冷原子量子模擬實(shí)驗(yàn)對他們理論的支持。

　　人們還在基于光晶格的堿土金屬氣體相干調(diào)控、大散射長度下的超冷原子氣體研究、基態(tài)極性分子的量子調(diào)控等方面取得了系列重要進(jìn)展。將多種量子調(diào)控技術(shù)相結(jié)合，研究具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用的量子物態(tài)、用超高分辨的原位測量技術(shù)進(jìn)行表征，以及對非平衡態(tài)物理的研究，已成為冷原子與冷分子物理重要的發(fā)展方向。

　　目前，世界上幾個(gè)主要科技強(qiáng)國在冷原子與冷分子領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)工作處于蓬勃發(fā)展的階段，每年在《Nature》《Science》上發(fā)表的相關(guān)實(shí)驗(yàn)論文就約有20篇。美國的主要研究機(jī)構(gòu)包括哈佛-麻省理工學(xué)院冷原子中心、科羅拉多大學(xué)及JILA研究所、國家標(biāo)準(zhǔn)局、普林斯頓大學(xué)、斯坦福大學(xué)、芝加哥大學(xué)、杜克大學(xué)等。在歐洲則形成了德國馬普所、德國漢堡大學(xué)、瑞士蘇黎世理工、奧地利因斯布魯克大學(xué)、法國巴黎高師、英國劍橋大學(xué)、意大利佛諾倫薩LENS等超冷原子實(shí)驗(yàn)的中心。日本和新加坡等國家也都加大了對超冷原子分子實(shí)驗(yàn)的投入。

　　三、我國研究現(xiàn)狀與水平

　　冷原子與冷分子研究的總體目標(biāo)是發(fā)展高精度的人工操控，與超高分辨的原位測量等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合多種調(diào)控技術(shù)，構(gòu)建量子多體物理模擬和調(diào)控的物理平臺，發(fā)現(xiàn)宏觀量子相干體系中的新奇量子物態(tài)及其相變，探索非平衡物理的特性，研究基于該體系的量子模擬和精密測量，為新奇量子物態(tài)為基礎(chǔ)的量子信息與量子計(jì)算方面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)未來信息和材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得重大科學(xué)與技術(shù)突破。

　　2002年中科院上海光機(jī)所在國內(nèi)首先實(shí)現(xiàn)銣原子玻色凝聚以來，國內(nèi)已有北京大學(xué)、中科院武漢物數(shù)所、山西大學(xué)、中科院物理所、中國科技大學(xué)、清華大學(xué)、華東師范大學(xué)等多家單位，實(shí)現(xiàn)了量子簡并的銣、鉀、鐿、鋰原子氣體。

　　1.量子模擬研究

　　在光晶格超冷原子分子中，精準(zhǔn)構(gòu)建以Feshbach共振和相干光學(xué)精密調(diào)控為手段的物理模型，包括玻色和費(fèi)米Hubbard模型、量子磁性模型以及準(zhǔn)相對論的強(qiáng)相互作用模型等，通過原理與技術(shù)創(chuàng)新，在光晶格超冷原子體系中實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)新奇的量子多體物態(tài)，探索高溫超導(dǎo)電性的機(jī)制是目前研究重點(diǎn)。北京大學(xué)在玻色-愛因斯坦凝聚體的反常超輻射和玻色子的自旋軌道耦合研究方面，中國科技大學(xué)在鋰、鉀混合氣體玻色-費(fèi)米雙超流，以及超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成方面，中國人民大學(xué)在大散射長度下的標(biāo)度關(guān)系，山西大學(xué)在費(fèi)米氣體二維自旋軌道耦合，清華大學(xué)在玻色-愛因斯坦凝聚量子相變附近的確定性糾纏等方面，都取得了重要進(jìn)展。

　　山西大學(xué)于2007年獲得超冷Cs2分子樣品研究其長程態(tài)光譜特性，獲得了基態(tài)超冷RbCs分子量子氣體，實(shí)現(xiàn)其量子態(tài)的外場操控;中科院物理所開展了對極性Feshbach分子的研究。這些突破顯示出我國在超冷原子量子模擬相關(guān)研究方向上已走在國際最前列。

　　2.關(guān)鍵操控及精密測量技術(shù)研究

　　發(fā)展針對單個(gè)量子態(tài)的定位操控及單格點(diǎn)超高分辨光譜成像技術(shù)，發(fā)展磁光電相結(jié)合的優(yōu)化制備低熵、高填充率的基態(tài)極性分子的量子合成技術(shù)，發(fā)展用于量子多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性測量的量子關(guān)聯(lián)以及相干光譜等精密測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)量子相干和量子糾纏的長時(shí)間保持和高精度操縱，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子信息處理，并應(yīng)用于大尺度的量子計(jì)算和量子模擬;發(fā)展以量子關(guān)聯(lián)模型和拓?fù)湮飸B(tài)為基礎(chǔ)的精密測量和原子鐘方面的應(yīng)用等是目前研究重點(diǎn)。

　　中科院上海光機(jī)所研制成功中國第一臺空間冷原子鐘正樣產(chǎn)品，2016年9月15日搭載天宮二號載人航天飛行器入軌，成為國際上第一臺在軌進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間冷原子鐘。北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所和北京航空航天大學(xué)研制成功我國首個(gè)基于磁共振的高精度原子自旋陀螺儀原理樣機(jī)。中國科技大學(xué)發(fā)展起光晶格中高分辨原位成像技術(shù)，并利用此技術(shù)開展了量子糾纏的研究，同時(shí)還利用冷原子量子存儲首次實(shí)現(xiàn)了具有存儲和讀出功能的量子中繼器基本單元，首次實(shí)現(xiàn)了測量器件無關(guān)的量子密鑰分發(fā)。北京大學(xué)和中科院物數(shù)所在光晶格的相變和關(guān)聯(lián)方面取得了系統(tǒng)的研究成果。

　　3.冷原子與冷分子物理的理論研究

　　中科院物理所、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國科技大學(xué)、南京大學(xué)、北京大學(xué)、人民大學(xué)等開展了有成效的研究工作，在自旋軌道耦合的超冷原子研究、組錯(cuò)量子磁性、非常規(guī)超流性等方面做出許多具有國際影響的工作，處于國際先進(jìn)或領(lǐng)先地位。

　　總體來看，我國在冷原子和冷分子研究方面已經(jīng)具備較強(qiáng)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)儲備，形成了一批優(yōu)秀的研究團(tuán)隊(duì)，取得了一批有重要國際影響的研究成果，實(shí)現(xiàn)了從跟蹤到并跑，甚至個(gè)別領(lǐng)域領(lǐng)跑的發(fā)展態(tài)勢。相比國際前沿研究進(jìn)展情況，國內(nèi)超冷極性分子在制備方面差距較小，而光晶格中超冷極性分子研究方面需要加快步伐。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云