波色费米超流混合自由空间量子通信实验研究

摘要

基于超冷原子的超流研究是当前超冷量子气体研究的重要方向。本论文中首先介绍了基于6Li和41K的玻色-费米超流混合系统的实验实现。
　　为了实现超流混合，实验中首先搭建了一套包括超高真空系统、共振激光系统、激光频率锁定与功率控制系统、磁场系统、时序控制系统、射频系统、水循环冷却系统、运行状态监控系统等的复杂的实验装置。然后实验对原子实施激光冷却。激光冷却过程包括6Li原子的塞曼减速器和41K原子的改良型的2D+MOT，双原子3D MOT，压缩磁光阱，6Li原子的UV MOT和41K原子的Gray Molasses等。通过激光冷却之后，原子团通过光泵浦极化之后装入到磁阱中并采用磁输运的方式输运到科学实验腔中。在科学实验腔的光塞磁阱中，实验中进行了光塞磁阱的射频蒸发冷却和6Li原子的协同冷却过程。在这一过程中，通过RF信号将阱边缘的高能41K原子驱除出束缚阱，而剩余原子则不断热平衡，最终降低原子团温度，提升相空间密度。与此同时，6Li原子将会通过与41K原子的碰撞而以协同冷却的方式同时得到冷却。光塞磁阱蒸发冷却完成之后，实验将原子团从磁阱转移到特殊设计的椭圆形光阱系统中。在光阱中实验首先通过射频技术将41原子转移到最低能量态，而6Li原子则制备成最低和次低能量态的平衡混态。然后实验中实施光阱蒸发冷却过程。通过缓慢降低光强，实验最终在圆盘形光阱中实现了超流的混合体，其中共有1.8×10541K原子（简并原子团比例大于80％）和1.5×1066L1原子(T/TF＜8％)。在光塞磁阱的射频蒸发过程中，实验还通过精确调节磁阱射频蒸发冷却过程，实现了磁阱的玻色-费米的简并混合。
　　在实验实现的超流混合体后，首先通过分别确认两个组分均进入超流态以及两个超流体的空间重叠确认了超流混合体的存在。然后通过观测原子团的空间分布，观测到了两种超流体之间的相互作用并通过理论计算给出了平均场的解释。然后实验通过采用两束蓝失谐激光扰动以改变势阱形状并产生旋转的势阱，分别在单独的41K BEC、6Li的分子BEC、6Li的BCS超流、以及41KBEC和6Li BCS超流混合体中制备了量子化得涡旋阵列，并通过精确测量量子化涡旋的产生参数以及一系列的对比实验，能够观测到41超流对6Li BCS超流中量子化涡旋的产生以及寿命都有着显著的影响。
　　在本论文中还介绍了本人在2010年到2012年参与的自由空间量子通信实验和量子卫星的部分工作。主要介绍了我们在青海湖地区实现了超过100km的量子纠缠分发和97km的量子隐形传态实验。实验一方面证实了即便在距离达到100km量级时依然能够得到破缺经典极限的纠缠分发结果以及量子态的隐形传输，另一方面也为后续的量子卫星实验平台积累了宝贵的经验。而量子卫星部分的工作主要是为量子卫星的纠缠源系统设计的一套光纤自动偏振控制的原型系统，该系统已经在量子卫星上得到了应用。

目录

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摘要

表格索引

插图索引

第一章 绪论

第二章 玻色与费米超流

2．1 量子气体的统计规律

2．2 玻色-爱因斯坦凝聚

2．2．2 弱(排斥)相互作用玻色-爱因斯坦凝聚体

2．2．3 BEC凝聚体的基本性质

2．2．4 BEC系统的动力学行为

2．2．5 BEC超流中的第一与第二声速

2．3 超冷费米气体

2．3．1 单自旋态费米子气体

2．3．2 相互作用超冷费米气体与BCS超流

2．3．3 费米子配对

2．3．4 BCS超流

2．4 BEC-BCS渡越

2．4．1 BEC-BCS演化过程

第三章 6Li-41K波色-费米超流混合实验系统

3．1 实验系统总体介绍

3．2 6Li和41K原子的共振激光系统

3．2．1 6Li原子共振激光系统

3．2．2 41K原子共振激光系统

3．3 激光频率稳定与调节

3．3．1 调频光谱法

3．3．2 调制转移光谱

3．3．3 可调差频法

3．3．4 电荷泵锁相技术

3．4 激光功率控制

3．5 真空

3．5．1 Li原子和K原子源

3．5．2 科学实验腔

3．6 磁输运系统

3．6．1 磁输运工作原理

3．6．2 磁输运的电流控制

3．7 科学实验腔线圈系统

3．7．1 线圈系统

3．7．2 电流及其控制系统

3．8 RF系统

3．9 水循环冷却系统

3．10 吸收成像系统

3．10．1 吸收成像的基本原理

3．10．2 科学实验腔的三维成像系统

3．11 时序控制系统

3．11．2 光耦合信号系统

3．11．3 信号网络

3．12 状态监控系统

第四章 双原子的激光冷却与射频蒸发冷却

4．1 6Li原子的塞曼减速器

4．1．1 塞曼减速器的原理

4．1．2 6Li原子的spin-Flip塞曼减速器

4．2 41K原子的改良型2D+MOT

4．3 6Li-41K双原子三维磁光阱

4．4 压缩磁光阱

4．5 6Li和41K原子的亚多普勒冷却

4．5．1 6Li原子UV MOT

4．5．2 41K原子灰光学黏团

4．6 高磁场D1线光泵浦与磁阱装载

4．7 光塞磁阱

4．8 射频场蒸发冷却

4．8．1 光塞磁阱的射频蒸发冷却

4．9 玻色-费米简并混合

第五章 6Li-41K玻色费米超流混合的实验实现

5．1 圆盘形交叉光偶极阱

5．1．1 光偶极阱的基本原理

5．1．2 圆盘状交叉光偶极阱

5．2 光阱的装载

5．3 原子态的制备

5．3．1 原子态的Landau-Zener转移

5．3．2 6Li原子自旋混态的实验制备

5．3．3 不同量子态原子之间的两体相互作用

5．4 原子态的大偏置磁场成像

5．5 光阱蒸发冷却与超流混合的实验实现

5．5．1 光阱蒸发冷却

5．5．2 6Li-41K玻色费米超流混合的实验实现

5．6 超流混合体的界定

5．6．1 6Li超冷费米量子气体温度的确定

5．6．2 相分离观测超冷费米气体温度

5．6．4 超流混合的空间重叠界定

5．7 6Li原子形状分析

5．8 超流混合体中相互作用分析

第六章 6Li-41K超流混合体中的量子化涡旋的制备与研究

6．1 超流体中的量子化涡旋

6．1．1 单个量子化涡旋的结构

6．2 量子化涡旋的实验产生

6．3 41K BEC中的量子化涡旋的产生及其研究

6．4 6Li超流中的量子化涡旋的产生及其研究

6．5 超流混合中的量子化涡旋的产生及其行为的研究

6．5．1 超流混合体中同时产生量子化涡旋

6．5．2 超流混合体中量子化涡旋的相互作用研究

6．5．3 涡旋寿命对比

第七章 自由空间远距离量子信息实验研究

7．1 量子叠加、量子纠缠与Bell不等式

7．2 100公里纠缠分发

7．2．1 100公里量子纠缠分发实验研究

7．2．2 100km纠缠分发

7．3 97公里量子隐形传态

7．4 量子卫星纠缠源光纤极化控制

7．4．1 光场的stocks分量描述

7．4．2 光学偏振态的Poincare球描述

7．4．3 利用三个波片补偿光纤偏振改变

7．4．4 利用保偏光纤来实现偏振保持

第八章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果