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.     

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.     

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.     

基于原子操纵技术的人工量子结构研究

扫描隧道显微镜原子操纵技术是指利用扫描探针在特定材料表面以晶格为步长搬运单个原子或分子的技术.它是纳米尺度量子物理与器件研究领域一种独特而有力的研究手段.利用这种手段,人们能够以原子或分子为单元构筑某些常规生长或微加工方法难以制备的人工量子结构,通过对格点原子、晶格尺寸、对称性、周期性的高度控制,实现对局域电子态、自旋序、以及能带拓扑特性等量子效应的设计与调控.原子操纵技术与超快测量及自动控制技术的结合,使得人们能够进一步研究原子级精准的量子器件,因而该技术成为探索未来器件新机理、新工艺的重要工具.本文首先简介原子操纵方法的发展过程和技术要点,然后分别介绍人工电子晶格、半导体表面人工量子点、磁性人工量子结构、人工结构中的信息存储与逻辑运算、单原子精度原型器件等方面的最新研究进展,以及单原子刻蚀和自动原子操纵等方面的技术进展,最后总结并展望原子操纵技术的应用前景和发展趋势.     

内腔多原子直接俘获的强耦合腔量子力学系统的构建

腔内中性原子的长时间控制与俘获一直是腔量子电动力学(QED)中的一个难题,极大地制约了人们相干操控单原子及其与光相互作用的研究.基于传统Fabry-Perot光学腔,设计了一套易于内腔原子操控的强耦合腔QED系统,其典型参数为:腔长3.5 mm精细度约为57000,(g0,κ,γ)=2π×(1.48,0.375,2.61)MHz,临界光子数和原子数分别为1.54和0.89.该系统的特点是:能够在腔内直接实现冷原子磁光阱,并建立腔内光学晶格,实现腔内可控数目的中性原子的长时间俘获.通过合理选择构建光学偶极阱和原子成像系统,可实现对腔内单个原子或原子阵列的操控、探测、成像等.该系统可以克服传统腔QED系统中转移原子的困难,大幅增加腔内原子的寿命,为构建以腔QED系统为基础的量子信息演示平台提供了一种可能.     

单原子脉塞和单原子激光——腔量子电动力学的实验平台

单原子脉塞和单原子激光是腔量子电动力学研究的重要实验平台。本文综述关于几类单原子脉塞和单原子激光的研究工作,包括德国Walther小组的单原子脉塞、超冷原子注入的单原子脉塞,法国Haroche小组的腔量子电动力学系统、注入原子的单原子激光、以及囚禁原子和囚禁离子的单原子激光。我们介绍相关的理论工作、实验系统、以及主要结果。     

大磁场梯度铯原子磁光阱中单原子的实验观测

基于中性原子的激光冷却与俘获技术,目前人们已可以对单个原子的外部乃至内部自由度进行有效的调控.从而可在单原子单光子的层次上对光场与物质的相互作用进行研究.     

超冷单原子分子阵列

用光镊形成光阱囚禁单个原子、用激光将单个原子冷却到基态形成超冷原子、将超冷原子相干合成单个超冷分子、将单原子分子重排串成丰富多样的超冷单原子分子阵列,这就构成了精密相干可控的多粒子量子系统,为多种前沿科学研究与技术发展提供难得的量子平台.文章介绍近年来在单原子量子态高保真操控、异核原子量子纠缠、原子一分子耦合态相干控制...     

铯原子双磁光阱中冷原子的输运：从推载到导引

在超高真空环境下实现中性原子的激光冷却与俘获，可以有效地避免背景气体对冷原子的碰撞所造成的影响，已成为玻色-爱因斯坦凝聚、冷原子光学腔量子电动力学、中性原子玻色-费米混合气体等实验研究的出发点。结合气室磁光阱和超高真空磁光阱的所谓双磁光阱，以其真空系统相对简单、参数易于控制、效率高等优点，得到了很大发展。双磁光阱既能在气室磁光阱部分从处于室温的原子背景中快速冷却和俘获原子，然后将其通过一定途径输运到超高真空磁光阱中，又能达到在压力极低的超高真空环境下制备冷原子的目的。     

单原子冷却及光学操控的实验进展

文章综述了基于原子冷却与俘获的单原子制备及其光学操控的基本实验原理及实验进展,并介绍了单原子制备及光学操控在量子寄存器、单光子源、原子-光子纠缠等方面的应用,简述了文章作者所在研究小组在单原子制备和光学操控方面的实验进展.     

基于光晶格的超冷原子量子模拟

文章从超冷原子研究的视角出发,回顾了用"从下到上"的方案来开展量子模拟研究的历史。超冷原子作为宏观量子态,各个自由度精确可控,是量子模拟的绝佳平台。光晶格将冷原子物理和凝聚态物理融合起来,是其中最重要的技术之一,为超冷原子量子模拟提供了一个扎实的落脚点。近年来,关于拓扑量子模拟的研究日益兴起,成为超冷原子量子模拟新的重要方向。文章介绍这方面近期的一些工作进展。最后分享作者对超冷原子量子模拟的一些思考。     

无相互作用原子之间的纠缠和量子失协

研究两个无相互作用的二能级原子分别与单模热光场相互作用时的纠缠和量子失协动力学,重点讨论原子运动和腔体热环境温度对纠缠和量子失协的影响。结果表明:受原子运动和场模结构参数的影响,两原子的纠缠和量子失协周期性地演化;在原子纠缠消失处仍存在量子失协。此外,通过控制腔体热环境温度和场模结构参数可以实现对纠缠和量子失协的调控,使其得以保持。     

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.     

超级里德伯原子间的稳态关联集体激发与量子纠缠

处于同一偶极阻塞区域的里德伯原子系综可以看作一个超级原子,如果它们被捕获在两个不同的光偶极阱中,那么每一个光偶极阱中的子原子系综可以看作为一个亚超级原子.由于这两个亚超级原子共享不超过一个激发的里德伯原子,所以它们会强烈地关联起来.本文研究这两个里德伯亚超级原子的稳态关联集体激发特性和量子纠缠行为.结果表明原子数目带来的影响非常明显:里德伯亚超级原子越大(包含原子数目越多),集体激发概率越大;最大纠缠只发生在等大的两个里德伯亚超级原子之间.通过增加原子数目,可以实现介观领域的量子纠缠,对量子-经典对应的研究以及量子信息处理有着重要的作用.     

基于量子Fisher信息的量子计量进展

量子计量是超冷原子气体研究中的一个热点领域.超冷原子体系独特的量子性质(量子纠缠)和量子效应有助于大幅度提高待测物理量的测量精度,这已经成为量子精密测量中的共识.量子Fisher信息对该领域的发展起了非常重要的作用.本文首先介绍量子Fisher信息的基本概念和量子计量的主要内容;然后简要回顾这些理论在提高测量精度方面的应用,特别是多粒子量子纠缠态的产生及其判定;再介绍线性和非线性原子干涉仪的相关进展;最后论述量子测量过程中的统计方法的研究进展.     

超冷原子系综的非高斯纠缠态与精密测量

量子精密测量是基于量子力学的基本原理对特定物理量实施测量,并利用量子效应提高测量精度的交叉科学.随着超冷原子实验技术的发展,超冷原子为量子精密测量提供了一个优异的研究平台.利用发展成熟的量子调控技术,人们可以基于超冷原子系综制备一些新奇的非高斯多粒子纠缠态.基于多体量子干涉,利用这些非高斯纠缠态作为输入,可以实现超越标准量子极限的高精度测量.本文简要综述这一研究领域的进展.     

腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

腔光力学系统中的量子测量

腔光力学系统近年来迅猛发展, 在精密测量、量子传感等方面已展现出重要的应用价值. 特别是与微纳技术和冷原子技术结合后, 这一系统正发展成为研究量子测量与量子操控的理想平台. 本文首先综述腔光力学在量子测量, 尤其是量子测量基础理论研究方面的进展; 然后分析腔光力学系统中的量子测量原理; 最后介绍我们近来在这方面的研究进展, 并通过我们设计的一系列新颖的基于腔光力学系统的量子测量方案来具体展示该系统在量子测量、量子操控等方面的潜在应用.     

实现量子逻辑门的一种多原子方案

考虑通过光纤连接的两个单模光学腔，每个腔中都束缚有多个二能级原子，原子与腔模集体共振相互作用，但原子之间没有直接的相互作用。在这样的系统中，我们发现，束缚在两个腔中的两团原子之间可以确定性地实现可靠的量子交换门，量子纠缠门和量子控制z门。与单原子方案比较，我们发现，多原子方案使得量子逻辑门的速度增大√N倍。同时，我们还注意到，共振相互作用能够加快量子控制Z门的实现速度。如果计人原子自发辐射和腔损对量子逻辑门的影响，我们发现，量子逻辑门保真度受耗散的影响随着原子数目的增大而减小。此外，在共振相互作用下，原子自发辐射和腔损对控制Z门的影响显著减小。