受限空间中光与超冷原子分子量子态的调控及其应用

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