三体里德堡超级原子的关联动力学研究

因为寿命长,并且原子间相互作用容易操控,所以里德堡原子在量子信息与量子光学领域具有极大的吸引力.特别地,偶极阻塞效应成为执行很多量子信息处理任务的物理资源.本文基于严格的偶极阻塞效应,将捕获在三个磁光阱中的二能级里德堡原子系综看作超级原子,在此基础上研究原子数目可调控的三体里德堡超级原子的同相和反相动力学行为,同时实现W态和两种最大纠缠态的制备.本工作在量子操控和量子信息处理方面具有潜在的应用前景.     

稀薄里德伯原子气体中的两体纠缠

量子纠缠是量子信息处理和量子计算中不可或缺的物理资源,制备稳定可操控的量子纠缠是研究的热点之一.里德伯原子具有不同于普通中性原子的特点,长寿命和原子之间强烈的偶极相互作用,使得它成为量子信息处理和量子计算的最优候选者.本文在稀薄里德伯原子气体中,构建了空间四面体排布的里德伯原子模型(空间等距的四个原子模型),通过数值求解主方程来研究两体纠缠和里德伯激发的稳态和瞬态动力学性质,发现偶极阻塞机制下的量子纠缠最大,其他满足反偶极阻塞条件的高阶激发引起的纠缠较小,进而从理论上分析了这两种机制下量子纠缠的物理实质.     

冷原子系综内单集体激发态的相干操纵

原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中,单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此,研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干,采用环形腔增强原子至光子的转化效率,发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术,利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠,利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外,简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.     

单原子在两个远红失谐光偶极阱中的转移

在光偶极阱中实现单个中性原子的囚禁及其操控在量子信息处理中具有重要的应用.为此在使用强聚焦远红失谐激光形成的光偶极阱囚禁单个中性铷原子后,通过一个空间可移动的光偶极阱从静止的光偶极阱上掠过,实现了将静止的光偶极阱中的单原子以94%的概率转移到可移动的光偶极阱中,并将该原子移动到焦平面上指定的位置.该实验对于实现光偶极阱阵列中任意两个原子的纠缠以及光偶极阱中原子外在自由度的操控等研究有着潜在的应用.     

里德伯原子辅助光力系统的完美光力诱导透明及慢光效应

光力诱导透明是典型的量子相消干涉效应,在量子光学和量子信息处理当中具有广泛的应用.本文在里德伯原子系综镶嵌的复合光力学系统中考察了光力诱导透明现象以及由此产生的慢光效应.当考虑非旋转波近似的情况下,可以获得完美的光力诱导透明,即非常狭窄的理想透明窗口.在可分辨边带条件下,微腔品质越高,完美透明窗口中的慢光效应越明显.特别地,与其他原子相比,在实现超慢光方面里德伯原子的长寿命体现了其优越性.     

中性原子量子计算研究进展

相互作用可控、相干时间较长的中性单原子体系具备在1 mm2的面积上提供成千上万个量子比特的规模化集成的优势,是进行量子模拟、实现量子计算的有力候选者.近几年中性单原子体系在实验上取得了快速的发展,完成了包括50个单原子的确定性装载、二维和三维阵列中单个原子的寻址和操控、量子比特相干时间的延长、基于里德伯态的两比特量子门的实现和原子态的高效读出等,这些工作极大地推动了该体系在量子模拟和量子计算方面的应用.本文综述了该体系在量子计算方面的研究进展,并介绍了我们在其中所做的两个贡献:一是实现了"魔幻强度光阱",克服了光阱中原子退相干的首要因素,将原子相干时间提高了百倍,使得相干时间与比特操作时间的比值高达105;二是利用异核原子共振频率的差异建立了低串扰的异核单原子体系,并利用里德伯阻塞效应首次实现了异核两原子的量子受控非门和量子纠缠,将量子计算的实验研究拓展至异核领域.最后,分析了中性单原子体系在量子模拟和量子计算方面进一步发展面临的挑战与瓶颈.     

四波混频的原理及在高激发态中的应用

原子的高激发态一般包括无数个里德伯态和无数个自电离态.里德伯态指原子中的一个电子被激发到离原子核较远的轨道.处于里德伯态的原子对于磁场或碰撞等外界影响非常敏感,具有很高的反应能力,很容易与微波辐射发生作用.当前在原子分子、光学物理等领域人们所感兴趣的各种实验中常常涉及到里德伯态.     

里德伯电磁感应透明中的相位

本文在典型的里德伯电磁感应透明系统中研究弱探测场在相互作用原子系统中的传播特性,重点关注基于偶极阻塞效应的探测场相位的合作光学非线性行为.通过与探测场透射率和光子关联作对比,发现相位的光学响应具有新特性:共振和Autler-Townes劈裂条件下相位对入射场强和初始光子关联不敏感,而在两者之间的频率范围内相位响应具有非线性特征,尤其在经典光频率处最显著.此外,提高主量子数和原子密度都会促进相位的非线性效应.综上,与探测场透射率和光子关联一样,相位可以作为合作光学非线性的另一个标识来刻画非线性现象,对里德伯电磁感应透明研究是一个有力的补充.     

里德伯原子的射频脉冲响应特性

里德伯原子是一种高主量子数原子,利用其量子相干效应可以实现对空间中射频电场的测量.本文对基于里德伯原子的射频接收系统在不同脉宽和强度下的射频脉冲响应能力进行了研究.实验采用波长为852 nm和510 nm的激光实现Cs原子的激发,并利用射频信号源发射不同参数的脉冲信号照射里德伯原子,从原子气室中透射的探测光信号输入至光电探测器,经过光电转换得到的电信号由示波器进行记录.此外,利用不同延迟时间的脉冲信号进行模拟测距,初步证明基于里德伯原子的射频接收系统具备脉冲测距功能.     

在微观光阱中高效装载两个原子

近年来,微观光偶极阱操纵单个冷原子已成为包括量子信息处理在内多种原子物理实验的一种新的且行之有效的实验平台。人们希望能够完全操纵每个阱中单个原子的内部和外部自由度,以及阱中被囚禁原子的确切数目。     

两二能级原子在共同环境下的量子关联动力学

通过精确求解带有偶极-偶极相互作用的两个二能级原子与一个共同热库相互作用模型, 得到了两原子间量子纠缠和量子失谐(quantum discord)的解析表达式. 综合考虑了环境的非马尔可夫效应、原子间的偶极-偶极相互作用以及原子的本征频率同腔模中心频率之间的失谐量对两原子间量子纠缠和quantum discord的影响. 研究显示: 在非马尔可夫机制下, 且原子的本征频率与腔模中心频率是共振时, 当两原子初态处于纠缠态时, 原子间偶极-偶极相互作用可以显著抑制包括量子纠缠和quantum discord等量子关联的衰减, 更特别的是, 如果原子的本征频率同腔模中心频率有一定的失谐时, 利用原子间偶极-偶极相互作用可大大地延长两原子退纠缠的时间; 当两原子初态处于可分离态时, 从短时间来看, 原子间偶极-偶极相互作用可以提高量子纠缠和quantum discord振荡的振幅,而在长时间极限下, 原子间偶极-偶极相互作用不会改变量子纠缠和quantum discord达到的稳定值. 最后, 讨论了原子间偶极-偶极相互作用对量子纠缠和quantum discord动力学不同的影响. 关键词： 量子纠缠 量子失谐 共同环境 偶极-偶极相互作用     

采用强聚焦光学系统实现原子操控的一种方案

采用光学手段操控原子是研究原子之间纠缠、控制其相互作用的重要途径,也是量子信息研究中的重要课题.本文基于目前的实验系统,提出了利用由三组驻波场组成的强聚焦光学系统产生间距可控的光学晶格,并在此基础上实现多光学偶极阱的一种方案.我们系统地讨论了两驻波场与第三驻波场的夹角和相对位相对光学阱分布的影响,指出在此基础上可以在一定程度上通过微光学阱实现单个原子的操控并实现偶极阱间距的可控调节.该结果对研究光学晶格中的BEC之间的作用、原子干涉以及原子之间偶极一偶极作用等具有重要意义.     

基于里德伯原子天线的低频电场波形测量

里德伯原子的高极化率可以实现电磁场的多维度参数测量.本文利用室温里德伯原子构建原子天线,基于原子天线将低频电场幅度信息转化为强度信息,从而实现低频电场的参数测量.实验采用双光子激发制备铯原子里德伯态,通过阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency, EIT)光谱实现里德伯原子量子态的检测,基于内置电极技术在室温原子气室导入k Hz频段低频电场.电场中里德伯原子的Stark频移会在EIT过程导致双光子失谐,从而引起EIT光谱频移和强度变化.在弱电场条件下, EIT光谱频移可以忽略, EIT透射强度与输入低频电场强度近似为线性关系,基于该效应可以实现低频电场的波形、幅度、频率等参数测量.     

高精细度光学微腔中原子的偶极俘获

利用梯度光场产生的光学偶极力对原子的作用是实现原子俘获的重要途径.分析高精细 度光学微腔中的偶极阱，讨论了由腔内驻波场、侧向和横向约束光构成光学势阱的特性，说 明在高精细度光学微腔中可以产生尺度为亚微米，阱深为mK量级的纯光学阱，并获得单原子 与光场的强耦合作用.还讨论了激光线宽对微腔中偶极阱阱深的影响. 关键词： 光学微腔 偶极俘获 单原子     

两纠缠原子与二项式光场相互作用的动力学

采用时间演化算符和数值计算方法，研究了两全同二能级纠缠原子与二项式光场相互作用的动力学，结果表明原子布居和原子偶极压缩的时间演化与二项式光场系数和两纠缠原子的纠缠度有很强的关联，选择合适的系统参数，原子偶极矩可以被完全压缩. 关键词： 纠缠原子 二项式态 原子布居 偶极压缩     

Tavis-Cummings模型中两纠缠原子纠缠的演化特性

研究了两个纠缠的两能级原子与单模粒子数场进行相互作用系统中两原子的纠缠演化.结果表明：两个原子之间的纠缠呈现出周期性的演化特性，初始两原子的状态、原子之间的偶极相互作用和粒子数场对腔中两个原子的纠缠有着显著的影响.发现适当选择原子的初态，两原子会永远处于最大纠缠态. 关键词： 量子纠缠 偶极-偶极相互作用 部分转置矩阵负本征值 纠缠原子     

利用自发拉曼散射建立三个原子节点的纠缠

量子纠缠是一种关键的量子资源.随着量子信息技术的发展,由量子通道和量子节点组成的量子网络成为研究的热点.量子信息网络的建立需要在多个远距离的量子节点间建立纠缠,它在分步式量子计算及量子因特网等方面有很重要的应用价值.本文在光和原子混合纠缠的基础上,提出了结合前馈网络建立三个独立的远程原子系综之间的连续变量确定性纠缠.三个原子系综分别放置在三个远程的节点中,每个节点首先通过自发拉曼散射过程制备光和原子的混合纠缠;然后,利用平衡零拍探测器测量三束Stokes光场干涉后的量子噪声,并将测量的结果前馈到原子系综,在三个独立的远距离的原子系综间建立纠缠;最后,利用来自三个原子系综的三束反斯托克斯光束的关联方差通过三组份不可分判据验证三个原子系综的纠缠.该方案简单可行,可以拓展到基于不同物理系统的量子节点,甚至实现更多原子节点的纠缠,从而实现大规模量子信息网络.     

铯原子nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态的紫外单光子激发及量子亏损测量

基于成熟的光纤激光器、光纤放大器及高效激光频率转换技术,我们在实验中研制了一套瓦级输出的窄线宽连续波单频可调谐318.6 nm紫外激光系统,并在室温铯原子气室中实现了6S_(1/2)—nP_(3/2)(n=70—94)单光子跃迁里德伯激发.借助由铯原子6S_(1/2)(F=4)基态、6P_(3/2)(F′=5)激发态和nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态构成的V型三能级系统,通过频率锁定于铯原子6S_(1/2)(F=4)—6P_(3/2)(F′=5)超精细跃迁的852.3 nm探测光束的吸收减弱信号获得了里德伯态的信息,并利用高精度波长计测量了铯原子nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态的量子亏损值.经过与理论计算值的变化趋势进行对比,我们认为由于原子气室的里德伯屏蔽效应并不能完全屏蔽外部直流电场,铯原子气室内存在残余的直流电场,影响了对里德伯态的量子亏损值的实验测量.利用残余直流电场的Stark效应理论模型及其与有效主量子数n*的依赖关系,对铯原子里德伯态的量子亏损实验测量值进行了修正.修正后的铯原子nP_(3/2)(n=70—94)态量子亏损测量值为3.5591±0.0007,与理论计算值相吻合.     

读出效率对光与原子纠缠产生的影响

在光与原子纠缠态产生中,自旋波读出效率是影响纠缠质量的一个重要因素.本文在实验和理论上研究了读出效率与纠缠质量(Bell参量)的关系.实验上利用~(87)Rb冷原子系综中的自发Raman散射过程产生了光与原子量子纠缠.通过改变读光功率或OD (光学厚度),实现了读出效率的变化.在此基础上,研究了光与原子纠缠质量(Bell参量)随读出效率变化的关系.该实验将为高保真度的光与原子纠缠产生提供帮助.     

推广的Jaynes-Cummings模型中原子纠缠的时间演化和热纠缠态

利用共生纠缠度研究了一个推广Jaynes Cummings模型中两原子纠缠的时间演化和有限温度下系统热纠缠态. 结果表明，腔场中两原子展现出周期性的纠缠演化过程，演化周期随原子偶极 偶极相互作用强度的增大而减小；在有限温度下，系统的共生纠缠度随温度的升高而降低，当趋近临界温度时，系统纠缠现象消失，这一临界温度值与原子偶极-偶极相互作用强度成正比. 对于典型的实验数据，临界温度约在10-5K数量级. 此外，在这种Jaynes Cummings模型中存在量子相位转变. 关键词： Jaynes Cummings模型 原子纠缠态 热纠缠态 共生纠缠度 偶极 偶极相互作用