李晓鹏课题组与奥地利因斯布鲁克大学的Peter Zoller教授合作，将任意长程耦合的自旋玻璃映射到了三维正方格子上的局域耦合自旋玻璃模型，为量子优化提供了一个大规模可拓展的新型编码架构，可以在原子平台比如里德堡原子、光晶格等系统上实现，表明原子物理实验平台具有编码普适NP计算问题的能力。11月6日，研究成果以《Programmable Quantum Annealing Architectures with Ising Quantum Wires》为题，发表于PRX Quantum 1, 020311 (2020)，并获得了编辑推荐。目前该量子计算架构在国际上获得广泛关注，其中首次提出的量子线连接方案近期已被国际知名的里德堡实验团队实现。
图1: 量子淬火的三维局域编码示意图。
李晓鹏教授与北京大学的周小计教授团队合作，将冷却到1.0E-8开尔文的超冷原子装载到蜂窝状的光晶格中，发现原子自发的形成超流版本的液晶态。实验观测到超冷原子在保持晶格平移不变性的情况下形成破缺晶格转动对称性的超流体，研究团队将此新型量子物质状态命名为三重向列序超流（Potts-Nematic Superfluid）。该实验发现于2021年1月21日，以《Evidence of Potts-Nematic Superfluidity in a Hexagonal sp-2 Optical Lattice》发表于《美国物理学快报》，见Phys. Rev. Lett. 126， 035301 （2021）。实验中的一项关键量子调控技术是将超冷原子快速装载到蜂窝状光晶格的高激发能带上。实验团队通过对激光光场的高精度的快速控制，在光晶格高轨道自由度的量子调控方面取得突破，成功制备了蜂窝状光晶格中的高能带凝聚体。研究通过场论重整化的理论分析指出，该原子体系中存在显著的多体相互作用重整化，而重整化之后的相互作用导致原子在晶格中倾向于形成空间奇宇称的轨道极化。由场论描述的这种复杂多体效应是向列序超流形成的微观物理机制。
图2: 超冷原子形成三重向列序超流体—一种液晶版本的超流体
李晓鹏课题组与复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室和高分子科学系的潘翔城研究员合作，构造了一个一维电子多轨道物理模型，提出了一种新型的自发对称破缺机制，指出自旋轨道耦合效应可以自发产生，其强度达到室温稳定的要求，揭示了手征大分子中发现二十年但是成因不明的手征诱导自旋极化现象。同时，理论成果具有普适性，可以拓展到冷原子体系，为自旋轨道耦合的量子模拟提供了全新的思路，尤其对锂、钠这些较轻的原子中进行自旋轨道耦合量子模拟有重要意义。2020年12月31日，研究成果以《Chiral Induced Spin Selectivity as a Spontaneous Intertwined Order》为题，发表于《物理评论快报》见Phys. Rev. Lett 125, 263002。
图3:手征诱导自旋极化的微观物理机制
