本文關(guān)鍵詞：冷原子自旋波相干操控及玻色費米簡并混合氣制備

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【摘要】：量子存儲是量子網(wǎng)絡(luò)、量子中繼、量子計算等量子信息處理的應(yīng)用中一個重要的組成部分,而基于冷原子系綜的量子存儲是目前綜合性能表現(xiàn)最佳的存儲系統(tǒng),已經(jīng)獲得一系列重要進展。本論文中的第一部分介紹的是利用雙光子拉曼躍遷對冷原子量子存儲中的自旋波進行相干操控的研究。我們在實驗上利用拉曼rephase過程成功抑制了自旋波的退相干,將存儲壽命提升了六倍,并且證明了讀出光的單光子性；這是首次驗證可以利用自旋回聲技術(shù)在單量子水平上延長自旋波存儲壽命,并且彌合了之前的理論矛盾。另外,我們還演示了利用拉曼躍遷和拉莫爾進動在Bloch球中對自旋波量子比特進行的任意旋轉(zhuǎn)和單比特門操作,其中繞x,y, z三個坐標軸旋轉(zhuǎn)之后的量子態(tài)保真度可以達到98.8%,而sigmax, sigmay, sigmaz以及Hadamard這四個單比特門操作的平均過程保真度為94.7%。最后,我們利用駐波光場驅(qū)動的拉曼拉比躍遷演示驗證了一個量子光刻的理論方案,并在實驗中將原子條紋制備的分辨率提升到了光學(xué)駐波衍射極限的九倍以上。本論文中的第二部分主要描述了一套超冷玻色費米混合氣體實驗裝置的搭建,以及量子簡并混合氣體的制備。這套實驗裝置可以同時冷卻、裝載和蒸發(fā)Na和K這兩種堿金屬原子,同時對K原子的三種同位素也都可以工作。目前獲得的混合簡并氣體中,Na23 BEC和K40費米氣體的典型原子數(shù)大約都在十萬左右,并且溫度約為0.4至0.5的費米溫度。該超冷玻色費米混合簡并氣體的制備,為后續(xù)利用Feshbach共振和雙光子STIRAP過程產(chǎn)生絕對的振轉(zhuǎn)基態(tài)極性分子提供了實驗基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：量子存儲 自旋波 受激拉曼躍遷 量子簡并氣體 玻色費米混合
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O413;O562
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 量子比特12
• 1.2 量子密碼12-13
• 1.3 量子中繼與量子存儲13-15
• 1.4 DLCZ方案的量子存儲15-19
• 1.4.1 單自旋波的產(chǎn)生15-16
• 1.4.2 自旋波的讀出過程16-17
• 1.4.3 自旋波的退相干17-19
• 1.5 超冷簡并量子氣體19-21
• 1.5.1 玻色子20
• 1.5.2 費米子20-21
• 1.6 論文結(jié)構(gòu)21-24
• 第二章 拉曼光譜的原理與應(yīng)用24-38
• 2.1 受激拉曼躍遷的基本原理24-27
• 2.2 利用拉曼光譜測量磁場27-32
• 2.3 利用拉曼光譜測量原子內(nèi)態(tài)分布32-37
• 2.3.1 原子態(tài)的光學(xué)π泵浦32-33
• 2.3.2 測量原子磁子能級布居33-37
• 2.4 小結(jié)37-38
• 第三章 在單量子水平上對自旋波自旋回聲方法的檢驗38-56
• 3.1 引言38-40
• 3.2 自旋波拉曼Rephase的構(gòu)思40-41
• 3.3 利用弱相干光存儲對拉曼Rephase的測試41-50
• 3.3.1 雙脈沖 Ramsey干涉以及拉曼拉比振蕩的測量與優(yōu)化43-45
• 3.3.2 利用EIT存儲測試拉曼Rephase過程45-47
• 3.3.3 拉曼Rephase過程集體增強噪聲的發(fā)現(xiàn)47-50
• 3.4 在單量子水平上對自旋回聲技術(shù)可行性的驗證50-55
• 3.4.1 自旋波拉曼Rephase后的單量子性檢驗51-54
• 3.4.2 DLCZ存儲中讀出噪聲來源的分析54-55
• 3.5 總結(jié)與展望55-56
• 第四章 單自旋波量子比特的任意旋轉(zhuǎn)操作56-76
• 4.1 一般單量子比特的任意旋轉(zhuǎn)操作56-57
• 4.2 單自旋波量子比特的制備及其操作57-62
• 4.2.1 單自旋波量子比特的制備58-59
• 4.2.2 單自旋波量子比特的操作59-61
• 4.2.3 單自旋波量子態(tài)的讀出校驗61-62
• 4.3 三能級拉曼躍遷的處理及R_(xy)旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)62-67
• 4.3.1 三能級拉曼躍遷過程的分析62-64
• 4.3.2 三能級拉曼躍遷的解耦64-67
• 4.4 自旋波量子態(tài)任意旋轉(zhuǎn)操作的實驗結(jié)果67-74
• 4.4.1 自旋波量子態(tài)制備的保真度68-69
• 4.4.2 拉曼和拉莫爾操作后讀出效率的變化69-71
• 4.4.3 拉曼和拉莫爾操作后的態(tài)保真度71-73
• 4.4.4 單比特門操作的過程保真度73-74
• 4.5 總結(jié)與展望74-76
• 第五章 一種突破光學(xué)衍射限制的量子光刻方案的實驗驗證76-98
• 5.1 量子光刻方案簡介76-82
• 5.1.1 傳統(tǒng)光刻技術(shù)簡介76-77
• 5.1.2 傳統(tǒng)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 駐波光場下拉曼躍遷的實驗方案82-87
• 5.2.1 雙波長駐波電場的形式82-83
• 5.2.2 駐波拉曼拉比振蕩及Raman-Nath近似83-85
• 5.2.3 單個拉曼光形成駐波光場85-87
• 5.3 實驗驗證對光學(xué)衍射極限的突破87-94
• 5.3.1 實驗系統(tǒng)87-89
• 5.3.2 測量結(jié)果89-93
• 5.3.3 目前系統(tǒng)限制93-94
• 5.4 掠入射駐波光場的理論計算94-98
• 第六章 超冷~(23)Na-~(40)K玻色費米混合氣的實驗制備98-142
• 6.1 引言98-99
• 6.2 Na和K的激光系統(tǒng)99-108
• 6.2.1 Na原子激光系統(tǒng)100-104
• 6.2.2 K原子激光104-108
• 6.3 真空系統(tǒng)108-111
• 6.4 Na原子Zeeman減速器111-118
• 6.4.1 Na原子樣品爐111-113
• 6.4.2 Slower磁場線圈113-115
• 6.4.3 原子束的減速115-118
• 6.5 K原子的2D MOT118-120
• 6.6 ~(23)Na-~(40)K雙原子Dark MOT120-125
• 6.7 Cloverleaf磁阱125-132
• 6.7.1 理論分析125-126
• 6.7.2 磁場分布的模擬與測量126-129
• 6.7.3 磁阱線圈的控制129-131
• 6.7.4 磁阱中原子的裝載131-132
• 6.8 水冷系統(tǒng)132-134
• 6.9 微波、射頻天線134-135
• 6.10 交叉光偶極阱135-138
• 6.11 雙簡并量子氣體的制備138-142
• 第七章 總結(jié)與展望142-144
• 參考文獻144-156
• 附錄A ~(87)Rb原子D1線躍遷的CG系數(shù)156-158
• 附錄B 三能級拉曼躍遷過程的推導(dǎo)158-162
• 附錄C 高分辨成像透鏡的設(shè)計162-164
• 致謝164-166
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果166-167

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