冷原子自旋波相干操控及玻色费米简并混合气制备

发布时间：2017-10-19 20:30

  本文关键词：冷原子自旋波相干操控及玻色费米简并混合气制备

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【摘要】：量子存储是量子网络、量子中继、量子计算等量子信息处理的应用中一个重要的组成部分,而基于冷原子系综的量子存储是目前综合性能表现最佳的存储系统,已经获得一系列重要进展。本论文中的第一部分介绍的是利用双光子拉曼跃迁对冷原子量子存储中的自旋波进行相干操控的研究。我们在实验上利用拉曼rephase过程成功抑制了自旋波的退相干,将存储寿命提升了六倍,并且证明了读出光的单光子性；这是首次验证可以利用自旋回声技术在单量子水平上延长自旋波存储寿命,并且弥合了之前的理论矛盾。另外,我们还演示了利用拉曼跃迁和拉莫尔进动在Bloch球中对自旋波量子比特进行的任意旋转和单比特门操作,其中绕x,y, z三个坐标轴旋转之后的量子态保真度可以达到98.8%,而sigmax, sigmay, sigmaz以及Hadamard这四个单比特门操作的平均过程保真度为94.7%。最后,我们利用驻波光场驱动的拉曼拉比跃迁演示验证了一个量子光刻的理论方案,并在实验中将原子条纹制备的分辨率提升到了光学驻波衍射极限的九倍以上。本论文中的第二部分主要描述了一套超冷玻色费米混合气体实验装置的搭建,以及量子简并混合气体的制备。这套实验装置可以同时冷却、装载和蒸发Na和K这两种碱金属原子,同时对K原子的三种同位素也都可以工作。目前获得的混合简并气体中,Na23 BEC和K40费米气体的典型原子数大约都在十万左右,并且温度约为0.4至0.5的费米温度。该超冷玻色费米混合简并气体的制备,为后续利用Feshbach共振和双光子STIRAP过程产生绝对的振转基态极性分子提供了实验基础。
【关键词】：量子存储 自旋波 受激拉曼跃迁 量子简并气体 玻色费米混合
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O413;O562
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 量子比特12
• 1.2 量子密码12-13
• 1.3 量子中继与量子存储13-15
• 1.4 DLCZ方案的量子存储15-19
• 1.4.1 单自旋波的产生15-16
• 1.4.2 自旋波的读出过程16-17
• 1.4.3 自旋波的退相干17-19
• 1.5 超冷简并量子气体19-21
• 1.5.1 玻色子20
• 1.5.2 费米子20-21
• 1.6 论文结构21-24
• 第二章 拉曼光谱的原理与应用24-38
• 2.1 受激拉曼跃迁的基本原理24-27
• 2.2 利用拉曼光谱测量磁场27-32
• 2.3 利用拉曼光谱测量原子内态分布32-37
• 2.3.1 原子态的光学π泵浦32-33
• 2.3.2 测量原子磁子能级布居33-37
• 2.4 小结37-38
• 第三章 在单量子水平上对自旋波自旋回声方法的检验38-56
• 3.1 引言38-40
• 3.2 自旋波拉曼Rephase的构思40-41
• 3.3 利用弱相干光存储对拉曼Rephase的测试41-50
• 3.3.1 双脉冲 Ramsey干涉以及拉曼拉比振荡的测量与优化43-45
• 3.3.2 利用EIT存储测试拉曼Rephase过程45-47
• 3.3.3 拉曼Rephase过程集体增强噪声的发现47-50
• 3.4 在单量子水平上对自旋回声技术可行性的验证50-55
• 3.4.1 自旋波拉曼Rephase后的单量子性检验51-54
• 3.4.2 DLCZ存储中读出噪声来源的分析54-55
• 3.5 总结与展望55-56
• 第四章 单自旋波量子比特的任意旋转操作56-76
• 4.1 一般单量子比特的任意旋转操作56-57
• 4.2 单自旋波量子比特的制备及其操作57-62
• 4.2.1 单自旋波量子比特的制备58-59
• 4.2.2 单自旋波量子比特的操作59-61
• 4.2.3 单自旋波量子态的读出校验61-62
• 4.3 三能级拉曼跃迁的处理及R_(xy)旋转的实现62-67
• 4.3.1 三能级拉曼跃迁过程的分析62-64
• 4.3.2 三能级拉曼跃迁的解耦64-67
• 4.4 自旋波量子态任意旋转操作的实验结果67-74
• 4.4.1 自旋波量子态制备的保真度68-69
• 4.4.2 拉曼和拉莫尔操作后读出效率的变化69-71
• 4.4.3 拉曼和拉莫尔操作后的态保真度71-73
• 4.4.4 单比特门操作的过程保真度73-74
• 4.5 总结与展望74-76
• 第五章 一种突破光学衍射限制的量子光刻方案的实验验证76-98
• 5.1 量子光刻方案简介76-82
• 5.1.1 传统光刻技术简介76-77
• 5.1.2 传统光刻中分辨率提升的方法77-78
• 5.1.3 量子光刻方案的提出78-82
• 5.2 驻波光场下拉曼跃迁的实验方案82-87
• 5.2.1 双波长驻波电场的形式82-83
• 5.2.2 驻波拉曼拉比振荡及Raman-Nath近似83-85
• 5.2.3 单个拉曼光形成驻波光场85-87
• 5.3 实验验证对光学衍射极限的突破87-94
• 5.3.1 实验系统87-89
• 5.3.2 测量结果89-93
• 5.3.3 目前系统限制93-94
• 5.4 掠入射驻波光场的理论计算94-98
• 第六章 超冷~(23)Na-~(40)K玻色费米混合气的实验制备98-142
• 6.1 引言98-99
• 6.2 Na和K的激光系统99-108
• 6.2.1 Na原子激光系统100-104
• 6.2.2 K原子激光104-108
• 6.3 真空系统108-111
• 6.4 Na原子Zeeman减速器111-118
• 6.4.1 Na原子样品炉111-113
• 6.4.2 Slower磁场线圈113-115
• 6.4.3 原子束的减速115-118
• 6.5 K原子的2D MOT118-120
• 6.6 ~(23)Na-~(40)K双原子Dark MOT120-125
• 6.7 Cloverleaf磁阱125-132
• 6.7.1 理论分析125-126
• 6.7.2 磁场分布的模拟与测量126-129
• 6.7.3 磁阱线圈的控制129-131
• 6.7.4 磁阱中原子的装载131-132
• 6.8 水冷系统132-134
• 6.9 微波、射频天线134-135
• 6.10 交叉光偶极阱135-138
• 6.11 双简并量子气体的制备138-142
• 第七章 总结与展望142-144
• 参考文献144-156
• 附录A ~(87)Rb原子D1线跃迁的CG系数156-158
• 附录B 三能级拉曼跃迁过程的推导158-162
• 附录C 高分辨成像透镜的设计162-164
• 致谢164-166
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果166-167

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