CB921600G.docx

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CB921600G

项目名称：

受限空间中光与超冷原子分子量子态的调控及其应用

首席科学家：

贾锁堂山西大学

起止年限：

2012.1至2016.8

依托部门：

山西省科技厅

一、关键科学问题及研究内容

拟解决的关键科学问题：

超冷原子分子作为一种理想的介质已经被广泛用于物质与场的相互作用，原子/分子量子态是精密光谱、量子信息以及超高灵敏测量的重要量子资源。

为实现受限空间中光场与超冷原子分子相互作用所产生的新型量子态的操控与应用，拟解决的关键科学问题如下：

1）在超冷条件下，从单原子到原子系综的量子态（包括纠缠态、相干叠加态、自旋压缩态等）制备和操控的新原理、新方法。

中性原子的冷却及长时间的有效控制；偶极阱中单粒子的高效装载以及在特定环境（如微光学阱、微腔）中单粒子的外态和内态的控制；基于冷原子系综的自旋压缩态制备和应用及量子非破坏性测量；失谐偶极光阱，制备高密度超低温冷原子团；利用量子非破坏性测量并实现冷原子自旋压缩态、冷原子自旋压缩、量子Fisher信息及量子关联。

2）受限空间中光与原子/分子相互作用（包括强耦合）的物理实现及其新奇量子效应。

微型光学阱和微光学腔的构建和控制的新方法；基于强耦合真空受激拉曼绝热输运过程的量子态的制备；耗散过程对量子态制备和操控的影响以及克服退相干的新途径；极化费米子超流体系、玻色-费米混合体系、组错晶格的相互作用与玻色体系等的新奇量子态;BCS-BEC渡越的物理机制。

3）超冷极性分子量子气体的高效制备和分子量子态操控的新机制。

超冷极性分子及相干叠加态和纠缠态的制备；利用外场有效调控极性分子之间的偶极—偶极相互作用以及超冷极性分子与单光子的强耦合作用；实现高保真度的量子信息存储以及精密光谱测量。

4）精密光谱、量子计量、量子测量（包括量子非破坏性测量等）和量子信息中的新原理和新技术。

发展基于噪声微扰的新型精密光谱方法，进行原子系统中磁场的精密测量；基于光腔和电磁诱导透明（EIT）联合作用以及冷原子系综的自旋压缩态的制备，实现突破标准量子极限的精密测量，提高量子计量中参数估计的精度；进行超冷极性分子的超高分辨光谱测量，利用分子纠缠态实现量子逻辑门；利用受限空间中光与原子分子强耦合相互作用产生的新型量子态，实现原子的量子寄存、可控单光子源以及量子节点。

研究内容：

1）微型光阱和微光学腔中原子内外态的完全控制方法，光与原子强耦合作用下量子态的操控及克服退相干的新机制。

研究在微光学阱和微光学腔中确定数目原子的冷却、光学俘获以及相干控制。

研究光与原子强耦合相互作用的实现途径以及该体系中量子态的制备、操控及退相干的物理机制。

利用多原子与阵列腔的强耦合，研究可抑制退相干的机制，实现多原子量子态控制的方案；研究受限空间中少量原子与光子相互作用中的非经典效应。

2）超冷原子系综自旋压缩态和纠缠态的制备及物理机制，利用量子非破坏性测量，在偶极光阱中实现高密度冷原子系综的自旋压缩态，量子态经典探测方法的噪声机制以及噪声极限研究，原子压缩态的产生及探测。

理论上研究冷原子自旋压缩态与量子Fisher信息。

研究如何给出数值上容易计算且实验上容易测量的纠缠量度或纠缠目击者。

利用量子非破坏性测量实现冷原子自旋压缩态，进一步研究量子非破坏性测量在高精度测量和冷原子光钟中的应用。

3）超冷极性分子量子气体以及振转冷却的基态极性分子的制备，光晶格中极性单分子的实现以及分子纠缠态的相干操控。

基态超冷极性分子的高效制备的新机制，原子-分子转换的非线性系统内在的多体动力学与操控。

极性分子系综的偶极—偶极相互作用以及与光场强耦合作用下产生的新奇量子态及其调控。

超冷里德堡分子的长程相互作用。

超冷极性分子量子态与单光子量子态之间的演化特性，实现高保真度的量子信息存储。

4）光学晶格中超冷原子分子体系的关联效应及新奇量子态的物性，极化费米子超流体系中FFLO态实现的理论方案。

研究在相互作用玻色体系以及玻色-费米混合体系中新奇量子态，BCS-BEC渡越的物理模型并进行非微扰的理论处理，将经典波动中的若干现象拓展到物质波领域从而实现将冷原子领域中的新奇现象在水波实验中加以展示，基于关联效应及新奇量子态的新型精密原子光谱与量子测量技术。

5）量子态在精密光谱测量、量子计量、量子测量和量子信息中的应用。

利用受限空间中光与原子分子强耦合相互作用产生的新型量子态（包括光场非经典态、原子/分子相干叠加态、原子/分子纠缠态、原子系综自旋压缩态等），提高量子计量中参数估计的精度，发展突破标准量子极限的精密测量、基于噪声微扰的新型精密光谱以及分子超高分辨光谱的新原理、新技术，制备新型量子信息器件，如量子寄存器、可控单光子源、分子量子逻辑门等。

二、预期目标

1.总体目标：

针对国内外原子分子物理及量子光学迅速发展的趋势，根据国家重大科学研究计划--“量子调控”的指南方向—“受限空间中光与超冷原子（离子）、分子耦合量子态的制备、测量及调控”的核心内容，本项目汇集我国原子分子物理和量子光学研究方面的优势力量，面向国家中长期科学发展的战略目标，在已有的若干超冷原子分子实验平台的基础上，通过对受限空间中光与原子分子相互作用系统的研究，发展新的量子调控手段和测量技术，在光与原子/分子系统量子态的操控与应用方面取得重大突破，提高我国在冷原子分子研究方面的整体水平，促进其与量子光学的进一步融合，获取量子态操控和应用的核心技术，为解决我国在量子信息关键器件、精密光谱以及超高灵敏测量中的重大需求奠定科学基础并提供技术储备。

通过项目的执行，形成一支具有开拓创新精神和国际竞争力的高水平研究队伍，建立在学术上具有重要国际影响的科研基地，提升我国在原子分子前沿研究领域的水平。

预计发表高水平论文100篇以上，申请获得国家发明专利10项以上，培养30名以上优秀人才，并组织若干次高水平的学术会议。

2.五年预期目标：

1）改造与升级现有的实验研究平台，掌握在受限空间中制备超冷原子分子量子态的核心技术和方法。

2）掌握基于激光冷却与俘获的单原子制备及高灵敏检测技术，实现光与单个原子的强耦合（临界光子数达到0.1以下），实现单原子外态及内态的完全控制以及原子相干叠加态的高效率高保真制备。

3）采用双光子受激Raman绝热操控方案实现单原子的可控Rabi振荡，实现原子-光子的量子纠缠，利用原子与单个腔场或耦合阵列微腔的强耦合，提出有效克服消相干的新方案，利用原子的相干叠加态完成量子可控门。

4）制备超冷极性分子量子气体，通过调控分子间偶极—偶极相互作用，实现退相干时间长的可控多通道量子信息存储和提取。

5）在光晶格中制备超冷极性单分子和分子纠缠态，实现微波光子与单极性分子的强耦合，测量转动态的超精细结构光谱，利用分子纠缠态实现量子逻辑门和量子计算。

6）理论上在相互作用的玻色-费密混合系统、转动的旋量玻色子超流态以及玻色-费米混合系统中，实现若干新奇量子态。

7）建立超冷费米原子凝聚体在Feshbach共振区的物理模型，解释强相互作用体系的相图和赝能隙特性，发展处理超冷原子多体问题的新途径。

8）实现超冷原子量子态突破标准量子极限的非破坏性测量。

利用量子非破坏性测量以及光腔和EIT联合作用实现冷原子自旋压缩态。

9）理论上给出高自旋真正多体纠缠,关联和自旋压缩的定量关系，以及实验上容易测量的且基于自旋不等式的纠缠量度或纠缠目击者。

10）预计发表高水平论文100篇以上，申请获得国家发明专利10项以上，培养30名以上优秀人才。

三、研究方案

（一）学术思路、技术途径

学术思路：

以受限空间中光与超冷原子分子相互作用为核心，利用已建立的实验平台和取得的进展，理论与实验相结合，实现光场与超冷原子分子的相互作用，以高保真、相干性良好的量子态的制备和应用为目标，实现从单原子分子到原子分子系综外部和内部状态的操控，获得光场非经典态、原子/分子相干叠加态、纠缠态、原子系综自旋压缩态等多种量子态，把量子态应用到精密光谱测量、量子计量、量子测量和量子信息中，使现有冷原子分子的量子调控和应用提高到一个全新的水平。

技术途径：

在微光学阱、微光学腔、光学晶格、电势阱等受限空间中，通过对光与超冷原子分子相互作用系统的调控，制备多种量子态，并实现其应用。

具体技术路线如下：

1）基于微型光学阱系统的技术路线:

1.1）在已建立冷原子磁光阱系统的基础上，通过分析影响原子装载率的物理机制，将磁光阱的参数拓展到特殊条件下，以显著降低原子的装载率，达到制备单原子的目的；

1.2）分析影响单原子荧光信号信噪比的物理因素，优化实验参数，设计高效的单原子荧光收集系统，掌握单原子探测和识别技术；

1.3）采用远失谐波长的高斯激光束构建微型偶极阱，实现对单原子俘获，显著减弱由于自发辐射导致的退相干；

1.4）采用超精细态和Zeeman态光抽运，实现初态制备，采用态选择荧光探测识别单原子量子态，借助于双光子Raman绝热输运方案研究单原子可控Rabi振荡。

2）基于微光学腔的技术路线：

2.1）以现有的铯原子磁光阱为研究对象，采用蓝光诱导的原子解吸附技术，实现磁光阱中原子数目和装载的有效控制；

2.2）采用两套方案实现原子的输运以及单原子的控制：

（1）利用双色远失谐光学阱（FORT）构建原子传送带，通过控制FORT光的频率实现对单个原子的输运。

（2）直接在腔内构建微光学阱俘获单个原子；

2.3）微光学腔方面，利用“超镜”（super-mirror）组成长短不同的微光学腔，在保证耦合强度能够达到强耦合的条件下，尽可能增大腔的长度；

2.4）腔的控制方面将采用PDH方法，实现不同光场在腔内的共振或者特定失谐；

2.5）原子内态的制备方面，利用真空STIRAP过程实现原子态的制备，Raman过程能有效避开原子激发态的参与从而可以获得较长的相干时间，为光子和原子量子态的制备、转移、映射以及后续测量等奠定基础；

2.6）强耦合以及量子态的测量采用单光子探测器测量微光学腔泄漏的光子完成，主要采用单光子探测和多光子关联测量等手段。

3）基于超冷极性分子系统的技术路线：

3.1）用光缔合和Raman共振转移的方法，制备振转量子数为零，温度100μk左右的基态冷极性分子；

3.2）使用大失谐的光学阱囚禁超冷分子，然后使用光学蒸发冷却，制备1μk左右的极性分子量子气体。

在此基础上使用光格子，制备单极性分子量子叠加态与分子纠缠态；

3.3）通过外电场对极性分子量子态进行调控，实现单光子量子态的信息存储和提取，通过外场操控分子纠缠态，获得分子量子逻辑门；

3.4）利用双光子激发获得nl里德堡原子，由基态原子和里德堡原子在一定对称性势阱中形成里德堡分子；

3.5）利用外加电场调控里德堡原子间的偶极相互作用,研究偶极阻塞效应,通过里德堡原子分子的阻塞效应实现可控量子逻辑门。

4）基于冷原子系综的技术路线：

4.1）在现有的铷冷原子平台基础上，实现铷原子在远失谐光学偶极阱中的囚禁；

4.2）通过各种降噪措施,例如对超冷原子装置采取特殊隔振，对真空系统应用高效磁屏蔽，研制低噪声激光器，抑制环境噪声等方法,实现冷原子态的标准量子极限探测；

4.3）通过远失谐激光和冷原子系综相互作用和光学干涉鉴相手段，探测冷原子系综，实现突破量子极限的非破坏性测量；

4.4）通过量子态的非破坏性测量方法或者基于光腔和EIT联合作用实现自旋压缩态制备；

4.5）在理论上，采用量子控制技术（如量子淬火等）进行长时间的保持量子态的自旋压缩特性的研究；利用合适的纠缠度量，进行高自旋中压缩和纠缠的定量关系的研究。

5）研究关联效应及新奇量子态的技术路线:

集成运用多种理论与数值方法开展研究并提供经典波动体系的演示。

理论上采用自洽平均场方法、Ginzburg-Laudau方法和新型Duality场论方法，数值上采用严格对角化、Bethe