强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量

强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量

【摘要】：腔量子电动力学(腔QED)是研究受限空间中物质与电磁场相互作用的学科,其基本模型即单个原子和腔场相互作用的J-C模型。腔量子电动力学系统是在实验室环境下获得单个原子与场强耦合的重要量子系统。自从E.M.Purcell在上个世纪40年代发现原子自发辐射受到环境影响的效应到现在,腔QED的发展得益于原子分子操控能力的提高并极大地推动了原子分子物理和量子光学的发展。腔QED 实验上的进展解释和验证了大量的量子力学基本问题。当原子和腔场的相互作用强度达到强耦合条件时,单个原子进入腔场就可以在很大程度上影响腔场的分布,因此利用强耦合腔QED系统可以实现对单原子的灵敏探测。此外强耦合腔QED系统被用于产生和操控多种量子资源,比如确定性的可控单光子源,它是实现量子信息和量子通讯的重要资源。通过强耦合腔QED系统可以实现原子内态的控制,例如通过真空受激绝热拉曼过程我们可以利用腔QED完成诸如光子-原子纠缠以及原子-原子纠缠态等。原子-光子的强耦合也使得量子态在原子和光子之间的相互映射得以实现,从而为构建量子网络提供了一个理想的试验场。多种量子态的产生和控制构成了量子信息交换和量子网络的基础,这些量子资源和量子操控手段正在被应用到量子信息、精密测量和量子计量等方面。本文主要围绕单个中性原子与腔的强耦合的实现以及利用该系统对原子的测量和控制展开的。主要工作如下：1.实现了单个中性铯原子与高品质光学微腔的强耦合。我们建立了一套

腔QED实验系统,包括高精细度光学微腔系统、真空和冷原子系统、频率链系统、探测系统和时序控制系统。高精细度光学微腔被置于真空系统中。频率链系统用于精确控制微腔腔长。在微腔上方利用磁光阱俘获冷原子团。冷原子在释放后自由下落穿越腔模。原子探测系统用来探测微腔的透射信号。该系统的参数为(g0,κ,γ)/2π=(23.9,2.6,2.6)MHz；临界光子数和临界原子数分别为：m0=0.006,N0=0.024。2.利用强耦合腔QED系统实现了单个原子轨道的确定和精密测量。原子进入微腔的高阶TEM1o横模并与之强耦合。TEM1o模的节线与原子轨道并非垂直和平行,这帮助我们消除了原子穿越腔模的轨道简并从而确定了唯一的单原子轨道。在离轴方向原子位置的精度达到100nm,垂直方向精度为 5.6μm。该工作以RapidCommunications形式发表在Phys.Rev.A83,031804(R)(2011),并被Physics以”FreeFalling”为题作为亮点工作报道。3.研究了蓝光导致原子解吸附效应(LIAD)对磁光阱中铯原子的装载过程和原子数目的影响。实现了利用LED蓝光控制原子装载,并在理论上研究了LIAD的物理机制,对LIAD控制原子释放和对真空的影响作了解释,理论与实验相符。这部分工作在Phys.Rev.A80,053420(2009)和物理学报59,6423(2010)上发表。4.将强耦合腔QED的高精细度光学微腔作为原子探测器,完成了对单个铯原子的灵敏探测。实验中关闭微腔上方的磁光阱后冷原子由于重力自由下落进入腔模。原子进入腔模时腔透射发生明显变化从而达到探测原子的目的。具体工作内容可见Chin.Phys.Lett.28,044203(2011)。实验中我们成功实现了原子与腔模的

强耦合,得到单个原子与腔模耦合的平均时间为110μs。5.利用强耦合的腔QED系统实现了一种新的探测磁光阱中冷原子团温度的方法。在实验中由于微腔可以对单个原子灵敏探测,故微腔充当了一个单原子的点探测器。微腔上方磁光阱关闭后原子自由下落进入腔模。我们根据统计原子达到腔模时刻的分布结果并利用理论模型拟合得到冷原子团下落前的初始温度。这部分工作在J.Opt.Soc.Am.B28,667(2011)上发表。6.讨论了利用现有实验系统在腔内俘获单个原子和产生确定性单光子源的实验方案并介绍了相关的实验进展。【关键词】：腔量子电动力学单原子强耦合原子温度原子轨道

【学位授予单位】：山西大学

【学位级别】：博士

【学位授予年份】：2011

【分类号】：O431.2

【目录】：摘要10-12ABSTRACT12-16第一章绪论16-281.1引言16-171.2强耦合腔量子电动力学研究进展17-231.2.1从弱耦合到强耦合17-191.2.2从多原子到单个原子19-211.2.3其它腔量子电动力学系统21-231.3强耦合腔量子电动力学的应用和意义23-261.3.1基本物理问题24-251.3.2量子信息251.3.3精密测量,量子计量25-261.4山西大学腔量子电动力学的研究进展和本文结构安排26-28第二章腔量子电

动力学基本理论:腔与原子相互作用28-362.1引言282.2无耗散系统28-302.3耗散系统30-342.4小节34-36第三章实验系统36-703.1引言36-373.2真空系统及磁光阱冷原子系统37-563.2.1真空系统37-383.2.2冷原子磁光阱系统38-413.2.3光致原子解吸附(LIAD)的应用41-563.3高精细度光学微腔56-583.4频率链系统58-663.4.1频率链系统的作用和意义593.4.2频率链系统介绍59-613.4.3微腔腔长控制的实现61-663.5探测系统66-673.6时序控制系统67-693.7小节69-70第四章强耦合腔QED的实现及腔内单原子的灵敏探测70-804.1引言704.2基本理论及其模拟结果70-734.3单原子穿越微腔信号探测73-784.3.1共振条件下的结果74-754.3.2失谐条件下的结果75-774.3.3真空拉比分裂的测量77-784.4单原子穿越微腔信号统计结果78-794.5小节79-80第五章基于单原子计数的冷原子温度测量80-885.1引言80-815.2理论分析81-845.3实验结果和分析84-865.4小节86-88第六章单原子质心轨道的精密测量88-1046.1引言88-896.2理论分析89-946.2.1非倾斜TEM_(10)模90-926.2.2倾斜TEM_(10)模92-946.3实验过程94-956.3.1微腔高阶横模选定94-956.3.2TEM_(10)模的锁定956.4实验结果95-996.4.1原子质心的轨道95-966.4.2原子轨道测量精度分析96-996.5由原子的速度确定冷原子团的温度99-1016.5.1实验结果及分析99-1006.5.2冷原子团的温度100-1016.6采用更高阶横模测量单原子运动轨道的分析101-1036.7小节103-104第七章腔内单原子的操控和单光子源的产生104-1107.1引言1047.2腔内FORT中单原子的控制104-1067.3确定性单光子源的实验方案106-1087.4小