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研究快讯 | 利用光镊中的史特恩-盖拉赫分裂实现单个原子量子运动态的高保真微波操控

已有 2069 次阅读 2020-6-17 23:55 |系统分类:论文交流

研究快讯 | 利用光镊中的史特恩-盖拉赫分裂实现单个原子量子运动态的高保真微波操控

原创王坤鹏等 ChinesePhysicsLetters 4月1日

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 18 January 2020;

online 06 March 2020

EXPRESS LETTER

High-Fidelity Manipulation of the Quantized Motion of a Single Atom via Stern–Gerlach Splitting

Kun-Peng Wang(王坤鹏), Jun Zhuang(庄军), Xiao-Dong He(何晓东), Rui-Jun Guo(郭瑞军), Cheng Sheng(盛诚), Peng Xu(许鹏), Min Liu(刘敏), Jin Wang(王谨), Ming-Sheng Zhan(詹明生)

Chin. Phys. Lett. 2020, 37 (4): 044209

文章亮点

以微型光阱中的单原子及单原子阵列为体系，进行量子信息处理和受控的少体相互作用的研究是当前的热点。实现高保真的内态外态的操控是进行这些研究的前提之一。由于存在较显著的光散射导致的退相干效应，基于双光子受激拉曼跃迁方案，人们难以实现高保真的运动态操控。本文另辟蹊径，利用微波结合史特恩-盖拉赫效应实现了微型光镊中的单个原子的运动量子态的高保真操控，观测到了高达三阶运动边带的相干拉比振荡。经过评估，在纠正了态制备和探测误差后，一阶运动边带跃迁的π-脉冲的保真度大于0.99。实现史特恩-盖拉赫效应所需要的的梯度磁场来源于微型光镊在焦点处所固有的偏振梯度。另外研究人员还准确测量了这一小于原子运动波包尺寸的史特恩-盖拉赫分裂，测量误差小于0.05 nm。

利用光镊中的史特恩-盖拉赫分裂实现单个原子量子运动态的高保真微波操控

研究背景

囚禁在微型光镊的单个中性冷原子（碱金属或碱土金属原子），可用于包括量子模拟、量子计算、以及从冷原子到冷分子等诸多前沿课题研究，这一体系正越来越受到广泛地关注，这得益于其优异的单原子级分辨性和可扩展性。开展以上列举的诸多应用的前提之一是实现对单个原子的完全操控，包括内部自旋态和外部运动态。特别的，在研究光阱中由单原子合成单分子以及少量原子体系的操控问题时，实现原子量子运动的操控是必要条件之一。传统的操控碱金属原子运动态的方法，是利用有光子反冲的双光子受激拉曼跃迁来实现的（对于碱土金属原子来说，利用单光子的跃迁即可实现）。由于双光子受激拉曼跃迁需要借助于中间的电子激发态，这难以避免会引入额外的自发辐射，从而引起退相干和加热效应。另外，在进行双光子受激拉曼跃迁的同时，如果光镊中有其它原子存在，拉曼光还会与分子激发态耦合从而引起跟原子间的非弹性碰撞。因此，设计一种既干净又高效地操控原子运动态的方法，是开展阱内多原子运动操控的关键。除了激光之外，另外一种操控原子超精细内态的方法是利用微波驱动基态原子能级间磁偶极跃迁，从而达到操控原子内态的目的。但与单个激光光子相比，单个微波光子的动量极其微小，使得单独用微波难以达到改变光镊中原子的运动量子态的目的。

一种可行的方案是利用著名的史特恩-盖拉赫效应，即原子在梯度磁场中时，不同的磁子能级感受到不同的势从而使得不同的内态所对应的空间波函数产生相对的移动，最终导致原子的不同运动态的波函数不再正交而是具有一定的重叠积分。所以处于梯度磁场中的原子在微波的驱动下在磁子能级之间跃迁时，就会伴随着运动态的改变。在离子阱体系中，人们利用真实的梯度磁场演示了这一原理。对于中性原子来说，囚禁光场的矢量光频移可以方便地提供等效的磁场梯度，这在光晶格体系以及纳米光纤体系等有了初步演示，但是高保真的运动态操控还未实现。

研究内容

近日，来自中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的詹明生研究组的何晓东和王坤鹏等人利用史特恩-盖拉赫分裂实现了对单个铷-87（⁸⁷Rb）原子的运动态的相干操控，观测到了运动基态与不同的激发态间的相干拉比振荡，其中对于一阶边带的操控保真度高于0.99。此前，该研究组已经利用微波对阵列中的⁸⁷Rb原子量子比特实施了保真度超过0.9999的内态操控[Phys. Rev. Lett. 121 240501 (2018)]。

而在本文中，如图1所示，单个⁸⁷Rb原子被囚禁在波长为852 nm的高斯光聚焦而形成的光镊中，在焦点处激光束腰大小约750 nm。如此之小的光阱可以保证每次只能装载进一个原子；同时，在焦点附近也会产生激光的偏振梯度，从而引起等效的史特恩-盖拉赫分裂。在实验开始的时候，⁸⁷Rb原子首先被装载进光镊中，然后进行偏振梯度冷却和三维的拉曼边带冷却，将原子冷却到谐振势阱的基态|n⟩ = |0⟩。通过选择合适的外加偏置磁场和激光偏振方向，可以使偏振梯度的效应表现出来，打开原子运动态之间的耦合。当用微波驱动原子在不同的超精细能级之间跃迁时，就可以相干操控原子的运动态了，如图2所示。π脉冲操控的保真度用多脉冲序列来标定，得到的结果跟理论模拟的保真度一致，也与理论模拟的随机标定(Randomized benchmarking)的结果一致。

图1. (a) 囚禁单个⁸⁷Rb原子的微型光镊的光强(等高线)和偏振梯度(密度图)示意图。基态波函数的特征宽度是50 nm，偏振梯度引起的波函数分裂(以基态波函数示意)。(b) 不同超精细能级在偏振梯度下引起空间波函数分裂的示意图(未按比例)。对于⁸⁷Rb原子来说，|F,mF⟩ ≡ |2,-2⟩和|1,-1⟩的波函数之间有𝑑 ≈19 nm的相对移动，这使得原子在两个超精细能级之间跃迁时可以发生运动态的改变。