基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.     

基于原子的微波场测量

本文分别综述了基于热原子、冷原子体系的微波场测量的研究进展,以及基于纠缠原子的高灵敏微波电场测量的最新结果。文中详细介绍了基于原子的微波场测量与实验进展,内容主要包括:热原子样品中,利用里德堡原子的电磁感应透明效应和Autler-Townes效应,实现微波电场的场强测量和微波电场空间分布特征的亚波长空间高分辨率成像。冷原子样品中,介绍了相邻里德堡态与微波的相干耦合强度受微波功率的影响,以及通过铷原子基态超精细能级与微波相干耦合振荡,实现基于原子的新型微波功率标准的研究。此外,利用冷原子探针实现微米级空间分辨率的二维微波场场强分布测量。最后我们对采用原子的量子纠缠态提高微波场强探测灵敏度的技术方案进行了讨论,量子纠缠的引入将有望使微波探测的灵敏度突破标准量子极限,获得优于传统雷达探测灵敏度的测量结果。     

硼原子高Rydberg态能级研究

利用最弱受约束电子势模型理论,通过对最弱受约束电子的识别,将Martin公式推广到了多电子原子系统.依此研究了B原子的2s2np(n≥30)系列Rydberg能级,理论计算值与实验值吻合较好,二者的相对误差小于6.59×10-5,达到了很高的精度.     

Rydberg原子的微波电磁感应透明-Autler-Townes光谱

主要研究了室温下微波场缀饰的铯Rydberg原子的电磁感应透明-Autler-Townes(EIT-AT)光谱.首先,以铯原子6S_(1/2)→6P_(3/2)→50S_(1/2)形成阶梯型三能级系统,利用强耦合光作用于6P_(3/2)→50S_(1/2)的Rydberg跃迁,弱探测光耦合基态跃迁6S_(1/2)→6P_(3/2)并探测由耦合光形成的电磁感应透明(EIT)效应.然后,以频率为30.582 GHz的微波电场耦合相邻的Rydberg能级50S_(1/2)→50P_(1/2)产生微波AT分裂.利用Rydberg EIT探测微波耦合相邻Rydberg能级产生的AT分裂,形成EIT-AT光谱,进而实现微波电场的测量.当微波场的强度增加到一定值时,EIT-AT光谱表现为多峰光谱结构.分析EIT-AT多峰光谱的成因,发现这主要是由场的不均匀性导致的,一定的EIT-AT光谱特征对应于特定的非均匀场分布.研究表明,利用Rydberg EIT-AT光谱可以实现微波电场的测量,利用其光谱特征可实现微波场的实时监测,进而提出了一种提高微波场空间分辨率的测量方法.     

平行电磁场中的Rydberg锂原子吸收谱的模型势计算

用B样条基组展开方法结合模型势计算了Rydberg锂原子在平行电磁场下的振子强度谱. 径向和角向均采用高阶Ｂ样条基组.计算结果与已有的实验结果符合得很好.利用分波分析法,对部分谱线的振子强度的强弱进行了分析. 本文方法简单有效，易于推广到交叉电磁场中Rydberg原子的精确谱的计算. 关键词： B样条 能谱 振子强度 平行电磁场 Rydberg原子     

Rydberg原子研究的新方法

本文首次用非简并四波混频测量了钠原子的Rydberg态系列光谱,并就其某一条谱线在不同压力下的碰撞加宽进行研究.     

Au原子高Rydberg态场致电离的实验研究

利用电热法将含金物质加热,产生Au原子束,再以两束UV脉冲激光垂直照射,将处于基态的Au原子共振激发至高Rydberg态。滞后于激光脉冲200ns的高压脉冲电场(6500V/cm)加到反应区,使处于Rydberg态的Au原子电离。激光波长在一定范围内扫描,共测出了Au原子的n²D_3/2(n=18—38)和n²S_1/2(n=21—34;36—38)两通道的38条能级的位置。用参数拟合得到²D_3/2和²S_1/2两系列的极限分别为:E_D=74409.8(3)cm^-1,E_S=74410.0(2)cm^-1,计算了每条能级的量子亏损。我们的实验还证明了场电离是一种十分有效的电离手段,比用通常的激光光电离效率要高得多。这在共振电离谱学(RIS)的研究中是一种很有效的方法。 关键词：     

基于Rydberg原子的超宽频带射频传感器

Rydberg原子具有极大的极化率和微波跃迁偶极矩,对外界电磁场非常敏感,可实现基于Rydberg原子的超宽频带射频电场的高分辨高灵敏测量.通过Rydberg原子的全光学无损的电磁感应透明探测手段,可以实现基于原子的快速免校准宽频带(0.01-1000 GHz)外电场的精密测量.对于频率大于1 GHz的微波场,由微波场耦合相邻Rydberg能级形成的Autler-Townes分裂进行测量;而对于频率小于1 GHz的长波射频场,由Rydberg能级的射频边带能级进行测量.这种方法是基于原子能级参数,可溯源到基本物理常量,不依赖于外界参考;且对电场无干扰,易于实现微型化和集成化,具有广泛的应用前景.本文主要综述了基于Rydberg原子的外电场测量的最新研究进展,重点介绍长波长射频场的测量,包括电场强度、频率以及极化方向的测量,详细介绍了其测量原理和探测灵敏度,并讨论了其应用前景及未来发展方向.     

微波场中里德堡锂原子的高激发跃迁

运用含时多态展开方法研究微波场中里德堡锂原子高激发态的性质,得到锂原子在微波场中的跃迁几率,实现对量子态的操纵与控制。结果表明：选择合适的振幅、频率等参数,可以实现布居数在量子态之间的完全跃迁。     

Bohmian picture of Rydberg atoms

Unlike the previous theoretical results based on standard quantum mechanics that established the nearly elliptical shapes for the centre-of-mass motion in Rydberg atoms using numerical simulations, we show analytically that the Bohmian trajectories in Rydberg atoms are nearly elliptical.     

Lifetimes of Rydberg states of Eu atoms

The radiative lifetimes of the Eu 4f76snp(8PJ or10PJ)Rydberg states with J=5/2 and 11/2 are investigated with a combination of multi-step laser excitation and pulsed electric field ionization,from which their dependence on the effective principal quantum number is observed.The lifetimes of 21 states are reported along with an evaluation of their experimental uncertainty.The influence of blackbody radiation,due to the oven temperature,on the lifetime of the higher-n states is detected.The non-hydrogen behavior of the investigated states is also observed.     

啁啾微波场中里德伯锂原子的相干激发与控制

运用含时多态展开方法和B-样条函数研究了微波场中里德伯锂原子高激发态的性质,得到锂原子量子态n=70-75,l=0-5的能量,并分析了里德伯锂原子高激发态n=70-75,l=0-5在微波场中的跃迁几率.结果表明:通过优化微波场参数可以实现量子系统从初始态到目标态的完全跃迁,且在跃迁过程中,每个l态都起至关重要的作用.     

基于量子相干效应的无芯射频识别标签的空间散射场测量

基于原子蒸汽池中铯里德伯原子的电磁感应透明光谱在微波场作用下的Aulter-Towns效应,测量了无芯射频识别标签线形散射单元的近场散射微波电场二维空间分布,空间分辨率可达到亚微波波长.实现了射频电场极化方向与线形散射体标签夹角的有效分辨.电磁仿真软件的仿真结果与实验测量符合得很好.本研究提供了一种测量微波电场近场测量的新方法,对无芯射频识别标签的散射单元设计和标定以及电子电路的电磁辐射测量具有重要的意义.     

Quantum state swap for two trapped Rydberg atoms

The quantum swap gate is one of the most useful gates for quantum computation. Two-qubit entanglement and a controlled-NOT quantum gate in a neutral Rydberg atom system have been achieved in recent experiments. It is therefore very interesting to propose a scheme here for swapping a quantum state between two trapped neutral atoms via the Rydberg blockade mechanism. The atoms interact with a sequence of laser pulses without individual addressing. The errors of the swap gate due to imprecision of pulse length, finite Rydberg interaction, and atomic spontaneous emission are discussed.     

超冷铯Rydberg原子的Autler-Townes分裂

主要研究超冷铯Rydberg原子阶梯型三能级系统的Autler-Townes(A-T)分裂.铯原子基态6S_(1/2)、第一激发态6P_(3/2)和Rydberg态形成阶梯型三能级系统,强耦合光共振作用于6P_(3/2)(F′=5)→34D_(5/2)的跃迁,探测光由偏振光谱锁定在6S_(1/2)(F=4)→6P_(3/2)(F′=5)的跃迁,并由双通的声光调制器在其共振跃迁附近扫描,形成的Rydberg原子A-T分裂谱由单光子计数器探测.A-T光谱的双峰间距与耦合光的拉比频率成正比,实验结果与理论计算在耦合光拉比频率Ω_c2π×9 MHz时符合得很好,在拉比频率Ω_c2π×9 MHz时,测量的A-T分裂比理论计算值小13%.产生偏差的主要原因是由于较大的耦合光拉比频率Ω_c增加了激发的Rydberg原子数,Rydberg原子间的相互作用产生了较大的退相干率所致.     

啁啾微波场中里德伯钠原子高激发态的布居跃迁

采用含时多态展开方法, 结合B样条函数和单电子原子模型势研究微波场中钠原子里德伯高激发态的性质, 得到钠原子的能级结构及在微波场中的布居数迁移, 实现对量子态的操纵与控制. 结果表明: 含时多态展开方法结合B样条函数和单电子原子模型势是有效研究微波场中碱金属原子性质的一种方法; 选择合适的啁啾率、振幅等参数, 可以实现布居数在量子态之间的完全迁移和量子态囚禁.     

Rydberg quantum computation with nuclear spins in two-electron neutral atoms

Alkaline-earth-like (AEL) atoms with two valence electrons and a nonzero nuclear spin can be excited to Rydberg state for quantum computing. Typical AEL ground states possess no hyperfine splitting, but unfortunately a GHz-scale splitting seems necessary for Rydberg excitation. Though strong magnetic fields can induce a GHz-scale splitting, weak fields are desirable to avoid noise in experiments. Here, we provide two solutions to this outstanding challenge with realistic data of well-studied AEL isotopes. In the first theory, the two nuclear spin qubit states |0〉 and |1〉 are excited to Rydberg states |r〉 with detuning Δ and 0, respectively, where a MHz-scale detuning Δ arises from a weak magnetic field on the order of 1 G. With a proper ratio between Δ and Ω, the qubit state |1〉 can be fully excited to the Rydberg state while |0〉 remains there. In the second theory, we show that by choosing appropriate intermediate states a two-photon Rydberg excitation can proceed with only one nuclear spin qubit state. The second theory is applicable whatever the magnitude of the magnetic field is. These theories bring a versatile means for quantum computation by combining the broad applicability of Rydberg blockade and the incomparable advantages of nuclear-spin quantum memory in two-electron neutral atoms.