ROPP编辑优选：量子可积新趋势：近期超冷原子实验
文章介绍
Xi-Wen Guan（管习文） and Peng He（贺鹏）
通讯作者：
- 管习文，中科院精密测量科学与技术创新研究院
该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。
图一：经典牛顿摆（Newton’s cradle）的演示(a)和量子牛顿摆（Newton’s cradle）的演示(b)。
为什么这是一个重要的研究领域？
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。
该领域有哪些开放性问题，或者您认为该领域下一步发展会是什么？
量子可积系统的下一步的发展在于在量子多体非平衡动力学及量子科技的应用，如
1）通过量子可积模型给出量子多体纠缠的刻画与表征的普适规律；
2） 利用一维多体现象设计精密测量传感器，重力测量仪等；
3） 研究一维量子多体输运特性，非平衡动力学演化，以及在量子科技中的应用，例如量子制冷，量子热机和量子能源等。
作者介绍
管习文 研究员
中科院精密测量科学与技术创新研究院
- 管习文，研究员，中科院精密测量科学与技术创新研究院。他长期从事冷原子多体系统、自旋系统和凝聚态物理体系的严格解模型研究，取得了一系列在国际上颇具影响力的研究成果。至今发表130余篇SCI论文，包括世界物理顶尖期刊Science、Review of Modern Physics、Advance in Physics、Nature子刊、National Science Review、Physical Review Letters等。
期刊介绍
- 2021年影响因子：17.802 Citescore：37.9
- Reports on Progress in Physics（ROPP）作为涵盖物理学各分支的权威性综述期刊，长期以来享有盛誉。所有综述均由编委会邀请全球顶尖专家撰写，覆盖物理的经典和热点议题。与此同时，ROPP还关注研究生、进入新领域的研究人员以及知名专家的需要。