单原子操控实验平台

  基于激光冷却技术可以获得温度微开量级的单原子；单原子是完美的量子系统，结合微米尺度的保守光学势阱，可以实现单个冷原子在自由空间的长时间俘获，获得外部自由度可控的单量子比特；用单色激光场、微波场或者采用受激拉曼绝热输运过程可以实现单原子内态的相干操控；两能态单原子系统作为单量子比特可以利用光学手段可控激发，可以获得触发式单光子源；基于多维光学阱阵列或者光学晶格可以构建两维或者三维的光学阱阵列，俘获在光学阱阵列中的单原子系统可以构建宏观数量的量子比特，独立的量子比特可以实现量子信息的存储；比特间的可控碰撞或者相互作用，可以实现纠缠和量子门，其是量子逻辑运算的基本构成单元，可以扩展应用于量子计算.

  超精细结构常数的精确测量广泛应用于各个领域，包括基本物理常数的测量，电子云-原子相互作用，原子不守恒测量，激光冷却原子，高分辨光谱和频率标准等。利用新型的双共振光抽运 (DROP: Double-Resonance Optical Pumping)技术，获得5P_3/2-4D_5/2激发态间的跃迁光谱，具有高信噪比、窄线宽的优点。采用集成波导位相型电光调制，结合光学腔频谱分析的方法来标定谱线间隔，测量铷原子4D_5/25/2激发态超精细结构常数，并确定超精细结构异常。已测量和即将测量的能 Cs8S_1/2,Rb4D_5/2(3/2),Cs7S_1/2,Rb5D_5/2(3/2)。

   极弱磁的化学物质分析、生物分子结构等分析和科学发现迫切需要高灵敏度的磁场测量装置，飞行器的超高精度惯性导航与制导迫切需要灵敏度更高的惯性测量器件。目前，基于原子自旋效应的磁场以及惯性测量装置是灵敏度最高的装置。其在测量过程中会不可避免会受到系统中光场偏振噪声、原子投影噪声、磁场噪声、热噪声以及电场噪声的影响，限制其灵敏度的提高。我们拟采用光场的偏振压缩突破海森堡不确定关系的限制，进一步提高磁场与惯性测量的灵敏度。

  铷原子作为量子信息的存储单元，其D2线对应780nm的激光，而以1560nm激光作为长距离信息传输过程中量子通道的载体，这种拥有高纠缠度的双色波长组合在未来长程量子通讯中必将展示巨大的潜力。基于光纤通讯技术和周期极化的非线性晶体的日益成熟的技术，我们主要开展了如下的实验工作：分别以单次穿过晶体和腔谐振倍频方式获得了780nm倍频激光，通过单共振和频方式获得520nm和频光以及双共振光参量振荡生成1560和780nm双色下转换光场。

  中性原子里德堡态由于具有较大的电偶极矩，里德堡原子之间存在较强的长程偶极-偶极相互作用，可导致Rydber Blockade效应，因而可利用这种效应实现两个原子之间的量子纠缠、两比特C-NOT量子逻辑门、光场与里德堡原子系综间的决定性量子纠缠等，因此碱金属原子的Rydberg激发在量子光学、量子信息等方面具有重要意义。但是采用单光子跃迁进行里德堡激发的例子非常稀少，主要原因在于原子的基态和里德堡态之间的单光子跃迁需要的光子能量较大，大多处于紫光（Violet）紫外光（UV：Ultra-Violet）波段。我们的实验研究旨在实现318.6nm窄线宽可调谐紫外激光系统，来进行单光子跃迁铯原子nP(n=80~100)里德堡激发，此方法一方面可以解决二步或三步激发中激发效率低的问题，另一方面可以延长里德堡原子相干操控的退相干时间，从而可在此基础上有助于相关物理问题的解决。