单原子在磁光阱和远失谐光学偶极阱中的高效制备与相干操控

摘要

基于量子计算与量子通信的需求,量子系统已成为国际上研究的热点。用作量子系统的载体主要有:光子、量子点、超导环、金刚石中的N-V色心、离子、中性原子等。原子相对离子或其它系统而言,不易受外界电场和磁场的干扰,因此对保持其内态的相干性非常有优势,这为原子基态的相干操控提供了足够长的退相干时间;同时,原子可以与特定的激光相互作用,实现信息的存储、编码和读取等功能。单原子作为量子系统可以演示一些非经典效应,验证量子理论;并且扩展后的单原子阵列可以应用到量子计算与量子信息处理等领域,因此单原子的制备与相干操控成为研究的热点之一。虽然能够独立存储与读取数据的量子存储器还未实现,但是已经有很多科研组利用多种物理模型在实验上实现了单量子比特的制备,利用里德堡原子之间偶极-偶极长程相互作用下的里德堡阻挡机制实现了相邻微米尺度阱中原子之间的纠缠进而实现了受控非门,利用单量子比特与两量子比特的受控非门可以实现任意的门操作,这为量子计算机的实现带来了曙光。根据迪文森佐(DiVincenzo)判据,构建量子计算机需要五个基本条件:①具有很好量子比特(Qubit)特性的可扩展的量子系统;②量子比特可以初始化到某个特定的态;③量子比特必须有比逻辑门运算更长的退相干时间;④能够进行量子逻辑门的编码;⑤量子比特的读取及正误测量。从DiVincenzo判据中得出,要构建量子计算机必须具备可以初始化到任意相干叠加态并且可扩展的量子比特,此外能够对每个量子态进行可靠的读取。本工作以利用铯原子基态相干操控实现量子比特的制备为研究目标,开展了一系列研究工作。
　　本文围绕铯原子基态相干操控展开,主要完成了以下工作:
　　(1)为了完成铯原子基态的相干操控,实现量子比特的制备,我们需要制备稳定的单原子源。基于激光冷却与俘获技术,人们已经很容易在磁光阱(MOT)中俘获原子。通过优化MOT的磁场、光场以及背景真空度,可以在MOT中俘获单原子。由于MOT中俘获的原子会伴随着吸收与自发辐射的过程,这会导致原子内部自由度的破坏,而光学偶极阱(ODT)特别是远失谐光学偶极阱(FORT)中,由于光的频率与原子的共振频率远失谐,原子的散射率极低,可以被认为是一种近保守的势阱,因此原子内态的相干性可以在阱中得到较长时间的保持。我们通过降低背景真空度,偏振梯度冷却(PGC),以及减小FORT的光强起伏等方法得到了长寿命(130秒)稳定的单原子。为了加快单原子的俘获,通过反馈控制MOT中四极磁场梯度以及利用紫光LED照射铯原子真空气室的方法提高了MOT中单个铯原子的俘获概率,同时利用FORT中蓝失谐光诱导的光助碰撞效应,获得了FORT中高概率的单原子装载。通过上述方法可以快速、高概率、长时间的俘获单个原子,这为铯原子基态的相干操控提供了稳定的单原子源。我们利用Hanbury Brown-Twiss(HBT)实验测量了单原子发出荧光光子的强度统计特性。
　　(2)完成铯原子基态的相干操控还需要两束频差为铯原子基态钟跃迁频率(9.192631770GHz)、位相相干的两束激光,我们简称Raman激光。我们通过直接射频调制被动激光器或者位相型电光调制器(EOM)然后再光学注入锁定的方法得到了两套Raman光产生的系统。通过拍频实验验证了这两束光的位相相干性。一束光锁定到铯原子跃迁线上,另一束光围绕铯原子共振跃迁线扫描的Raman光与常温下铯泡中型三能级原子发生共振时,通过双光子STIRAP过程,原子被制备到两个基态的相干叠加暗态上,发生相干布居俘获(CPT)现象,这可以进一步验证这两套激光系统的位相相干性。
　　(3)通过控温的Etalon,可以实现Raman激光的双光子共振单光子大失谐的频率锁定,可以把Raman光锁定到铯原子D2跃迁线负失谐10GHz-40GHz处,这样我们得到了驱动铯原子基态相干操控所需的大失谐Raman光。
　　(4)利用光抽运技术把原子制备到铯原子相应的超精细态和 Zeeman态上,完成了铯原子的初态制备,结合单光子大失谐的Raman激光,我们初步实现了铯原子基态的相干操控。

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第一章 绪 论

1.1 单原子的实现及其应用

1.2 双光子共振单光子大失谐的Raman激光系统

1.3 铯原子基态的相干操控

1.4 本章小结

第二章 单原子激光冷却与俘获的原理及光学系统

2.1 原子在磁光阱中的激光冷却与俘获

2.2 单原子在远失谐偶极阱中的制备

2.3 激光冷却与态制备所需的光学系统

2.4 本章小结

第三章 用于铯原子基态双光子相干操控的Raman激光系统的实现及应用

3.1 频差为9.19GHz的Raman激光的实现

3.2 激光场的调制特性

3.3 Raman光的位相相干性的检测

3.4 注入锁定光学系统的扩展应用

3.5 本章小结

第四章 远失谐偶极阱中单原子的高效制备

4.1 偶极阱中原子之间的碰撞阻挡效应

4.2 利用光助碰撞效应实现单原子的高效制备

4.3 利用反馈控制系统提高单原子的制备效率

4.4 通过紫光LED导致的原子解吸附实现单原子的高效制备

4.5 原子所辐射荧光的二阶相干度测量

4.6 本章小结

第五章 铯原子基态的相干操控

5.1 引言

5.2 Raman激光的大失谐锁定

5.3 超精细态与Zeeman态的制备与探测

5.4 基态相干操控

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参 考 文 献

攻读学位期间取得的研究成果学术论文

会议报告

致谢

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