北京大学量子电子研究所CAP小组下的冷原子理论组主要围绕超冷原子与量子模拟中的基础理论问题及实验相关的理论问题开展研究。我们的科研核心关注点为三个大方面：
1. 前沿算法的拓展：我们通过开发量子多体问题的前沿算法，拓展开展理论计算的边界。我们擅长或关注的算法包括但不仅限于：量子蒙特卡洛算法（尤其是路径积分蒙特卡洛和虫算法）、平均场算法、密度矩阵重整化群、精确对角化、与人工智能结合的量子多体算法、Bethe拟设等等。
2. 冷原子理论问题的探索：我们通过应用这些算法，推进关于超冷原子与量子模拟中重要理论问题的探索。目前，课题组的研究重心主要集中于低维与跨维度量子气体的物理研究，具体包括：跨维度冷原子气体的量子相变与奇异现象、跨维度系统量子关联特性、准晶中冷原子气体的局域化相变与玻色玻璃态、低维气体的动力学问题等。
3. 与冷原子实验合作的研究：我们的实验合作者主要包括三个组成部分，他们是北京大学量子电子所CAP小组的其他实验组、国内领域内知名的实验组、国际上领域内知名的实验组。我们通过跟冷原子实验的合作，一方面我们为他们提供合理的实验参数设定和实验数据物理图像的翻译，另一方面他们也为我们发表的理论开展实验验证。
近期，该理论组与国内外的实验合作者合作，共发表《Science》一篇、《Nature Physics》两篇、《Science advances》两篇、《Physical Review Letters》(Featured in Physics)一篇。详细介绍如下。
1. 与因斯布鲁克大学实验物理系主任Hanns-Christoph Nägerl教授组合作的维度跨越系列文章
在跟因斯布鲁克大学Hanns-Christoph Nägerl教授的实验组与日内瓦大学Thierry Giamarchi教授的理论组合作中，我们利用光晶格中的强相互作用玻色冷原子气，研究了二维到一维跨维度过程中量子关联函数的演化 [Nature Physics, 20, 934–938 (2024)]，发现了在跨维度区域该关联函数奇特的双区域特性，即其短程和长程分别呈现出一维和二维特性。这意味着，当我们分别从短和长的尺度探测系统的量子关联性，系统中的粒子会分别认为自己处于一维和二维。我们从产生湮灭算符的角度给出了物理解释。同时，利用量子蒙卡和飞行时间成像探测，我们构造了1纳开精度的低维冷原子温度计 [Science Advances 10 (7), eadk6870 (2024) ]。利用此温度计，我们发现了降维过程中的异常冷却现象，并从熵曲线的角度给出物理解释。最终，利用该一维系统，在与Hanns-Christoph Nägerl教授的实验组和浙江大学应磊教授的理论组合作中，我们进一步探测了在量子受激转子模型下强相互作用一维玻色子的多体动力学局域化问题 [Science 389,716-719(2025)]。
相关文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02459-3
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6870
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8625
图1.（a）从三维BEC开始生成2D层和1D管的示意图 （b）利用量子蒙卡和飞行时间成像探测构造的低维冷原子温度计 （c）降维过程中的异常冷却现象
2. 与北京大学电子学院的陈徐宗教授合作的檀接触量的观测文章
在与北京大学电子学院的陈徐宗教授、法国巴黎综合理工学院Laurent Sanchez-Palencia教授的合作中，我们利用一维强相互作用的玻色超冷原子系统，首次直接观测了超冷玻色气动量分布中普适的1/k⁴尾迹（即高动量分布），并通过其权重直接测量了檀接触量 [Science Advances 11, eadv3727 (2025)]。这一观测的实现得益于我们提出的两步扩散探测方案，显著降低了飞行时间探测中相互作用对高动量区的影响。同时，我们将对玻色系统檀接触量的研究推广至强关联区域，通过调控光晶格强度、原子数密度及一维散射长度，首次实验验证了一维李布-林尼格模型中预言的檀接触量普适标度律。该工作为强关联玻色量子系统中与檀接触量相关的宏观与微观性质测量奠定了重要基础。
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv3727
新闻链接：https://ele.pku.edu.cn/info/1111/3852.htm
图2. (A) 开展檀接触量测量的一维强关联玻色气体量子模拟实验平台示意图 (B) 实验和量子蒙特卡洛模拟获得的动量分布，其1/k⁴ 尾迹的权重给出檀接触量 (C) 檀接触量的直接观测结果与量子蒙卡模拟结果共同给出的普适标度律。
3. 与清华大学物理系的陈文兰副教授合作的一维耗散动力学文章
在与清华大学陈文兰教授课题组的合作中，我们首次在实验上验证了“非厄米线性响应理论”，并观测到一维强关联量子气体中普适的反常耗散动力学行为 [Nature Physics21, 530–535 (2025)]。我们在超冷铷-87原子构成的一维量子气体中可控地引入弱耗散，通过精密测量系统在短时间尺度内的耗散动力学，发现了原子数N随耗散持续时间t呈亚指数衰减。该衰减行为的特征因子仅与体系的相互作用强度相关，与耗散强度无关，并对温度变化表现出鲁棒性，其测量值与此前理论预言的一维量子气体反常维度吻合。这是实验上首次对一维体系反常维度的定量测量，体现了“非厄米线性响应”理论的独特用处。
图3.（a）一维量子气体的制备（b）原子能级和相关耗散光频率的选取（c）一维量子气体TOF 后的吸收成像（d）指数衰减（BEC）与亚指数衰减（一维玻色气体）的对比
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-02800-4
新闻链接：https://quantum.phys.tsinghua.edu.cn/en/highlights/67b6e714a066ee470c34c5ce
4.与意大利比萨大学与佛罗伦萨大学的Giovanni Modugno教授合作的关于无序势引起的去局域化现象的文章（Featured in physics）
在与意大利比萨大学与佛罗伦萨大学Giovanni Modugno教授的合作中，我们观测了浅准周期晶格的莫特绝缘态相变，首次发现了由无序势能引起的去局域化的反常现象（delocalization induced by disorder）[Phys Rev Lett. 133(12)，123401 （2024）]。在特定条件下，准周期光晶格能够“对抗”莫特绝缘态的形成，使强相互作用的玻色气体保持超流特性，展现出 “去局域化”能力。
我们通过量子蒙特卡罗模拟揭示，当系统总粒子数与晶格位点总数之比为正整数时，准周期晶格会“模糊”原本在周期晶格中严格的匹配关系，从而削弱莫特绝缘相的稳定性，这一机制使超流相得以维持。文章中的研究为理解无序与相互作用共同作用下的量子相变提供了新视角。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.123401
Featured in physics ：https://physics.aps.org/articles/v17/s112
图4.总粒子数与晶格位点总数之比等于1、阱深不变时，从周期晶格（左）转变成准周期晶格（右），体系的量子态由莫特绝缘态转变为超流态
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