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山西大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在單原子量子調(diào)控方面取得重要進(jìn)展 近日，山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張?zhí)觳�、李剛教授帶領(lǐng)的腔量子電動(dòng)力學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在單原子的量子調(diào)控方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了由聲子隨機(jī)躍遷導(dǎo)致的光學(xué)偶極阱中單原子量子態(tài)退相干的新機(jī)制，并通過全面抑制原子退相干，將單個(gè)銫原子的相干時(shí)間提升到20秒。該相干時(shí)間是目前堿金屬原子量子比特的最長記錄。相關(guān)研究成果以“Extending the coherence time limit of a single-alkali-atom qubit by suppressing phonon-jumping-induced decoherence”為題，于2024年10月2日發(fā)表在Optica上。 量子比特的相干時(shí)間是量子信息技術(shù)最重要的基礎(chǔ)參數(shù)之一。長的相干時(shí)間能夠提高量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間、量子門的操控次數(shù)和操控精度，是衡量量子系統(tǒng)綜合能力的重要指標(biāo)。光學(xué)俘獲的單原子系統(tǒng)是量子信息存儲(chǔ)和處理的基本系統(tǒng)，如何消除各種退相干因素，提高該系統(tǒng)的相干時(shí)間，是科學(xué)家們面臨的重要難題。張?zhí)觳?李剛團(tuán)隊(duì)長期以來圍繞該問題進(jìn)行了系列研究。2019年該團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的“三重魔術(shù)條件”(Triply magic conditions)方案，通過簡并雙光子躍遷的光頻移補(bǔ)償單光子躍遷的光頻移，從而抑制光場頻率、強(qiáng)度以及外部磁場等起伏對(duì)原子態(tài)的影響，能夠大幅提高原子的相干時(shí)間[Phys. Rev. Lett. 123, 253602 (2019)]。2022年，該團(tuán)隊(duì)理論分析了光學(xué)阱中原子的運(yùn)動(dòng)，引入原子運(yùn)動(dòng)的量子態(tài)（原子振動(dòng)的聲子態(tài)），完整描述了光學(xué)阱中原子的波函數(shù)，以新的視角全面分析了光場噪聲對(duì)原子相干性的影響[New J. Phys. 24 083028(2022)]，但實(shí)驗(yàn)上采用“魔術(shù)條件”獲得的相干時(shí)間遠(yuǎn)低于理論估算。  聲子跳躍誘導(dǎo)退相干及20秒長相干時(shí)間示意圖 在最新發(fā)表的工作中，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步引入光場噪聲導(dǎo)致的原子振動(dòng)聲子態(tài)的隨機(jī)躍遷，對(duì)原子量子態(tài)退相干機(jī)制進(jìn)行了新的闡釋。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種新的退相干機(jī)制，即“聲子跳躍誘導(dǎo)的退相干”（Phonon-Jumping-Induced Decoherence, PJID）。實(shí)驗(yàn)上采用藍(lán)失諧瓶子阱（Blue-detuned Bottle Trap）技術(shù)俘獲單個(gè)原子，并利用邊帶拉曼冷卻技術(shù)，將原子成功地冷卻到三維運(yùn)動(dòng)基態(tài)[Opt. Lett. 49, 542 (2024)]，實(shí)現(xiàn)了銫原子內(nèi)態(tài)能級(jí)起伏和聲子跳躍誘導(dǎo)退相干的同時(shí)抑制。最終將單個(gè)銫原子量子態(tài)的相干壽命提高到20 秒。該相干時(shí)間是目前報(bào)道的光學(xué)阱中基于單個(gè)堿金屬原子量子比特的最長記錄。該項(xiàng)工作通過全面分析單原子量子態(tài)的退相干過程，深刻揭示了光學(xué)偶極阱中原子的退相干的物理機(jī)制，為延長單原子量子態(tài)的相干時(shí)間提供了新的可能，也為高精度相干操控光學(xué)捕獲的原子或分子的量子態(tài)開辟了新的前景。 論文第一作者為我校光電研究所博士生田壯壯、共同第一作者為博士生常昊博和呂鑫，通訊作者為張?zhí)觳沤淌诤屠顒偨淌凇＿@項(xiàng)工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金、量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山西大學(xué))和省部共建極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心(山西大學(xué))的支持。 論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.529577 |
