華中科技大學量子科學與工程研究院、物理學院HUST-UULM中德量子傳感與量子測量國際聯(lián)合實驗室蔡建明教授團隊以“Engineering artificial atomic systems of giant electric dipole moment”為題在《物理評論快報》（Physical Review Letters）發(fā)表最新進展，基于束縛電子提出了一種新型的人工原子系統(tǒng)，其巨大的電偶極矩可以超越自然界穩(wěn)定存在的天然原子，顯著增強系統(tǒng)與微弱信號的耦合強度，為其量子相干調(diào)控以及微弱信號的精密測量提供明顯的優(yōu)勢。物理學院博士生余柏奕為論文第一作者，其他作者包括物理學院儲耀明博士、Ralf Betzholz博士、張少良教授、蔡建明教授。

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量子技術(shù)的核心物理基礎(chǔ)是構(gòu)建高度可控的量子系統(tǒng)。目前，瞄準量子技術(shù)物理實現(xiàn)的量子系統(tǒng)主要包括超導(dǎo)量子系統(tǒng)、冷原子系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、離子阱系統(tǒng)、量子點系統(tǒng)、固態(tài)自旋系統(tǒng)等。不同類型的量子系統(tǒng)具有各自獨特的優(yōu)勢，同時也面臨著相應(yīng)的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計新的面向量子技術(shù)需求的可控量子系統(tǒng)，具有重要的科學意義。可控的新型人工原子系統(tǒng)將拓寬人們對物理世界在量子層面的掌控能力。通過人為的設(shè)計與調(diào)控，我們有可能在自然界原子難以達到的參數(shù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)量子疊加、量子糾纏等量子效應(yīng)，擴展量子技術(shù)的實現(xiàn)手段。針對量子技術(shù)對人工原子系統(tǒng)的需求，蔡建明教授團隊經(jīng)過長期研究提出了一個大膽的思路：基于電場束縛單電子（Paul阱），其囚禁時間可以一定程度上媲美Paul阱中離子的囚禁時間，并且，通過巧妙設(shè)計束縛電子的電勢場，束縛電子的高激發(fā)量子態(tài)將具有超越天然原子的電偶極矩并保持穩(wěn)定。需要指出的是，電偶極矩的大小決定了其與電場相互作用的強度以及電偶極-偶極互作用的強弱。

然而，要想在束縛單電子附近無正電核心（即天然原子中的原子核）的情況下得到一個類似于天然原子中的電勢場，即便是在原理上也存在巨大挑戰(zhàn)。為了解決這一難題，蔡建明教授團隊提出通過引入形如z的三次方和z的四次方的軸向非簡諧電勢場，束縛電子的高激發(fā)量子態(tài)（能級間距為MHz）在被穩(wěn)定束縛的同時，其電偶極矩可以比天然原子的穩(wěn)定激發(fā)態(tài)提升數(shù)十倍。進一步地，團隊從實驗角度系統(tǒng)地提供了對這些穩(wěn)定的高激發(fā)量子態(tài)進行初始化、相干操控以及觀測的具體方法，充分展示了該系統(tǒng)的巨大潛力。未來，團隊將進一步探索這一新型物理體系，實現(xiàn)類似于天然原子的電偶極-偶極互作用，構(gòu)建基于束縛帶電粒子的可擴展量子系統(tǒng)，為這一全新系統(tǒng)應(yīng)用于量子精密測量等量子技術(shù)進一步賦能。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.073202