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    我國學者在單原子量子操控及腔量子電動力學方面取得新進展

    日期 2020-01-13   來源:數理科學部   作者:姜向偉 倪培根 陳剛 郭海中  【 】   【打印】   【關閉

      在國家自然科學基金項目(批準號:11634008, 11674203, 11574187)等的資助下,山西大學張天才教授和李剛教授團隊,在單原子量子操控及腔量子電動力學研究方面取得了新進展。部分理論的合作者包括井岡山大學的夏秀文副教授,中國人民大學的張芃教授、同濟大學的許靜平教授和羊亞平教授。相關成果分別以“Realization of Nonlinear Optical Non-reciprocity on a Few-Photon Level Based on Atoms Strongly Coupled to an Asymmetric Cavity”(強耦合腔量子電動力學系統中少光子水平的非線性光學非互易的實現)和“Triply Magic Conditions for Microwave Transition of Optically Trapped Alkali-Metal Atoms”(堿金屬原子光學囚禁中微波躍遷的三重魔術條件)為題,于2019年12月4日和12月20日相繼在Physical Review Letters(《物理評論快報》)上在線發表。論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.233604和https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.253602。

      受控單個中性原子以及單個原子與光學腔強耦合相互作用是構建原子陣列并演示量子模擬、量子信息處理及量子計算等的重要系統,也是研究光與物質相互作用的重要平臺。原子相干性的提高對推進上述研究具有重要意義。目前單原子量子操控和應用主要基于基態兩個超精細態進行,其相干性受到原子運動所導致的非均勻退相干以及由囚禁光場和外部磁場起伏等引起的均勻退相干因素的影響,相干時間通常被限制在百毫秒以下。針對不同的退相干機制和原子態,人們提出了某些特殊條件下,即所謂“魔術條件”(Magic condition),原子的退相干可被有效抑制,從而大幅提高相干壽命。然而,要進一步提高原子的相干性,需要尋找某種能夠同時抑制多種退相干機制的有效方法。

      山西大學張天才教授和李剛教授研究團隊最近提出了一種全新的“三重魔術條件”(Triply magic conditions)方案并在實驗上得到驗證。該方案巧妙地利用簡并雙光子過程產生的光頻移補償單光子過程引起的光頻移,在一定條件下,可以實現退相干對囚禁光場頻率、強度以及外部磁場均不敏感的“三重魔術條件”,從而大幅提高原子的相干性。該團隊在實驗上利用波長為1079納米的激光構建了一個尺度為2.5微米的光鑷,成功把冷卻到2微開的單個銫原子俘獲長達46秒,并利用該系統驗證了“三重魔術條件”的可行性,初步將單個原子的相干時間提高到6秒。利用該方法有望進一步將原子的相干時間提高到分鐘量級。這一方法也可以推廣應用到包括銣原子在內的其他堿金屬原子,實現原子退相干的有效抑制。

      該團隊建立了一套原子與光學微腔強耦合相互作用的實驗系統,通過光學冷卻和操控原子技術,把冷原子控制在微光學腔內,實現了原子與光學腔的強耦合。利用強耦合腔量子電動力學系統中強非線性效應,實現了幾個光子水平的光學非互易傳輸。單個光子在單個原子與腔之間相互交換,每秒鐘可達五百五十萬次。利用該系統的強烈非線性和非對稱腔的特點,實驗上獲得了低至3.8個腔內平均光子的光學非互易傳輸。這種在幾個光子水平下的光學非互易傳輸,工作窗口可以通過控制原子的數目進行調節,實驗上獲得了最高達30dB的阻塞率。這是基于光學非線性效應的目前國際上具有最小工作功率和最大阻塞率的光學非互易系統?;谠搶嶒炏到y的機制可以應用到通過基于芯片的回音壁模式腔或光纖腔,實現基于芯片的超低功耗光二極管?;趶婑詈锨涣孔与妱恿W系統完成的該實驗,為實現極弱光的無磁非線性光學非互易傳輸提供了新的途徑,同時該系統在量子態的產生、量子感知和精密測量方面具有重要的應用前景。

    圖1 強耦合腔量子電動力學實驗裝置圖(左)和基于非對稱腔中原子非線性的光學非互易傳輸方案(右)

    圖2 非對稱強耦合腔QED系統中光場傳輸方向不同時的雙穩現象(左),其中陰影部分為非線性光學非互易窗口;不同原子數對應的正向傳輸光的透射效率和反向光的阻塞效率(右)




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