近日，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所詹明生研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組實(shí)現(xiàn)了一種新型的魔幻光阱 -- 魔幻光強(qiáng)偶極阱，將囚禁在該微型光阱中的單個(gè)中性原子量子比特的相干時(shí)間延長(zhǎng)上百倍，從毫秒量級(jí)提高至百毫秒量級(jí)。相關(guān)工作發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Phys.Rev.Lett.117, 123201, 2016）上。
囚禁在光阱中的單個(gè)中性原子及原子陣列是極具前途的量子信息處理與量子模擬的眾多物理候選體系之一。中性原子體系與外部環(huán)境的耦合較之其它體系（如離子、NV色心、量子點(diǎn)、超導(dǎo)線路等）弱，利于大規(guī)模單原子陣列的制備。而要在大規(guī)模的中性原子寄存器中實(shí)現(xiàn)量子信息處理，其中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是單量子比特的相干性在陣列的不同格點(diǎn)中轉(zhuǎn)移時(shí)要能夠很好地保持。通常，量子比特是編碼在Rb原子的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)的鐘躍遷態(tài)中，超精細(xì)能級(jí)劈裂導(dǎo)致阱中原子上下能級(jí)的光頻移不同，即產(chǎn)生微分光頻移。在之前的實(shí)驗(yàn)中，微分光頻移是引發(fā)單原子量子比特轉(zhuǎn)移中相干性丟失的主要因素，通常的動(dòng)力學(xué)退耦的方法也無(wú)濟(jì)于事。這一難題極大地限制了大規(guī)模中性原子量子信息處理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。
研究組骨干何曉東副研究員與博士生楊佳恒等人利用單原子操控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在國(guó)際上首次測(cè)量了基態(tài)原子在矢量光場(chǎng)中的超極化率，接著通過(guò)控制矢量激光場(chǎng)和原子間微弱的相互作用，構(gòu)造了單原子的魔幻光強(qiáng)偶極阱，有效地消除了有害的微分光頻移。在該阱中，單量子比特的壽命從幾毫秒提高到225毫秒。更為重要的是，他們成功地利用一個(gè)運(yùn)動(dòng)的魔幻阱將一個(gè)靜止量子比特從另一個(gè)靜止的魔幻阱中提取出來(lái)，變成移動(dòng)比特，轉(zhuǎn)移后送回到原處。通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)量子比特的干涉條紋，發(fā)現(xiàn)量子比特的相干性并沒(méi)有因?yàn)檗D(zhuǎn)移而丟失。該研究成果為下一步利用囚禁在光偶極阱陣列中的單原子構(gòu)造可擴(kuò)展的量子信息處理器奠定了基礎(chǔ)。
該研究得到了科技部國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃“囚禁單原子（離子）與光耦合體系量子態(tài)的操控”、國(guó)家自然科學(xué)基金委基金和中科院“基于原子的精密測(cè)量物理”先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的資助。
囚禁在光阱中的單個(gè)中性原子及原子陣列是極具前途的量子信息處理與量子模擬的眾多物理候選體系之一。中性原子體系與外部環(huán)境的耦合較之其它體系（如離子、NV色心、量子點(diǎn)、超導(dǎo)線路等）弱，利于大規(guī)模單原子陣列的制備。而要在大規(guī)模的中性原子寄存器中實(shí)現(xiàn)量子信息處理，其中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是單量子比特的相干性在陣列的不同格點(diǎn)中轉(zhuǎn)移時(shí)要能夠很好地保持。通常，量子比特是編碼在Rb原子的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)的鐘躍遷態(tài)中，超精細(xì)能級(jí)劈裂導(dǎo)致阱中原子上下能級(jí)的光頻移不同，即產(chǎn)生微分光頻移。在之前的實(shí)驗(yàn)中，微分光頻移是引發(fā)單原子量子比特轉(zhuǎn)移中相干性丟失的主要因素，通常的動(dòng)力學(xué)退耦的方法也無(wú)濟(jì)于事。這一難題極大地限制了大規(guī)模中性原子量子信息處理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。
研究組骨干何曉東副研究員與博士生楊佳恒等人利用單原子操控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在國(guó)際上首次測(cè)量了基態(tài)原子在矢量光場(chǎng)中的超極化率，接著通過(guò)控制矢量激光場(chǎng)和原子間微弱的相互作用，構(gòu)造了單原子的魔幻光強(qiáng)偶極阱，有效地消除了有害的微分光頻移。在該阱中，單量子比特的壽命從幾毫秒提高到225毫秒。更為重要的是，他們成功地利用一個(gè)運(yùn)動(dòng)的魔幻阱將一個(gè)靜止量子比特從另一個(gè)靜止的魔幻阱中提取出來(lái)，變成移動(dòng)比特，轉(zhuǎn)移后送回到原處。通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)量子比特的干涉條紋，發(fā)現(xiàn)量子比特的相干性并沒(méi)有因?yàn)檗D(zhuǎn)移而丟失。該研究成果為下一步利用囚禁在光偶極阱陣列中的單原子構(gòu)造可擴(kuò)展的量子信息處理器奠定了基礎(chǔ)。
該研究得到了科技部國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃“囚禁單原子（離子）與光耦合體系量子態(tài)的操控”、國(guó)家自然科學(xué)基金委基金和中科院“基于原子的精密測(cè)量物理”先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的資助。
環(huán)型光晶格中單原子量子比特的轉(zhuǎn)移
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