我們詳細研究了用于中性原子量子計算的單量子比特操控.實現(xiàn)量子計算的基本要素包括：可擴展量子寄存器的制備和讀取,單量子比特操作,多量子比特操作.基于“碰撞阻塞”效應,可以在微型光學偶極阱中囚禁單原子.為了實現(xiàn)量子寄存器的初始化,我們在環(huán)形光晶格中制備單原子陣列.對于堿金屬原子,量子比特被編碼在基態(tài)超精細結構能級上.我們采用雙光子受激Raman躍遷,進行單原子內(nèi)態(tài)的各種操控.本論文中,主要的創(chuàng)新點和結果展示如下：1、我們采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖時序有效抑制單原子量子比特的退相干.CPMG時序被視為是多組spin echo脈沖的疊加,已經(jīng)應用于多種體系,可以有效改善量子比特的相干性.我們將這種技術擴展到單原子體系中,通過采用π脈沖個數(shù)n=6的CPMG時序,均勻退相干時間比采用spin echo脈沖時延長了3倍.2、利用輔助的可移動的光阱,我們在光晶格中轉移單原子量子比特,并詳細研究了轉移過程對量子比特保真度的影響.如果輔助光阱的勢深較大,將其從靜止阱上掠過時,囚禁的單原子會跟隨著移動阱一起運動,實現(xiàn)轉移.原子的轉移效率可以達到95%.因為不會影響光晶格中其他位置囚禁的原子,這種方案適用于可擴展的量子寄存器.在單原子轉移過程中,本征態(tài)的保真度保持不變,為F=0.94.疊加態(tài)的保真度會受到影響,在T=20 ms時測量,未進行轉移時保真度為F=0.74,經(jīng)過轉移后減小到F=0.66.研究表明,單原子轉移過程中疊加態(tài)保真度的損失,主要來自于該過程引起的加熱效應和偶極阱激光的指向漲落.與單離子轉移相比較,單原子轉移的研究存在著很多共性的需求和挑戰(zhàn),進一步可以將我們的轉移過程與其他手段相結合.3、我們研究了自由空間和偶極阱中單原子物質(zhì)波干涉.采用一系列對射Raman光脈沖,可以實現(xiàn)冷原子干涉儀,在精密測量領域有著廣泛的應用.我們實現(xiàn)了自由空間中的單原子Mach-Zehnder型干涉儀,并測量了單原子物質(zhì)波相干長度.同時在偶極阱中,觀察到干涉條紋對比度隨著測量時間的延長而迅速衰減,這正是由于原子在阱中做簡諧運動造成的.由此,我們提出了偶極阱中包含兩脈沖的單原子干涉儀方案.4、我們優(yōu)化激光冷卻時序,將囚禁在雙色阱中的單原子冷卻到Lamb-Dicke區(qū).為了在紅失諧光學偶極阱中實現(xiàn)強囚禁,一束藍失諧的中空光束與之疊加.優(yōu)化偏振梯度冷卻后,采用釋放再抓捕的方法測量單原子溫度.通過計算得到,阱中單原子滿足Lamb-Dicke條件,有助于進一步采用Raman邊帶冷卻制備單原子到簡諧運動基態(tài).5、我們采用壓縮感知技術初步提高了單原子陣列熒光成像的分辨率.當信號滿足特定的稀疏條件時,壓縮感知提供了一種恢復重建信號的求解算法.實驗中,我們收集單原子熒光,成像到電子倍增相機上,對整個單原子陣列進行實時監(jiān)測和控制.應用壓縮感知技術處理后,初步提高了兩個單原子成像的分辨率.總之,我們在可擴展的量子寄存器中展示了單原子量子比特的各種操控.這些工作為采用中性原子進行量子計算提供了基礎.
【學位單位】：中國科學院研究生院(武漢物理與數(shù)學研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：O431.2
【部分圖文】：

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本文編號：2820993