研究方向

单原子操控及触发式单光子源

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。

基于两维或者三维的光学阱阵列俘获的单原子系统可以构建宏观数量的量子比特系统，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里德堡相互作用，可以实现纠缠和量子门，尤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及量子模拟。

铷原子D1线795 nm偏振压缩及量子增强铷原子磁强计

基于碱金属原子自旋效应的光泵原子磁强计(OPM)，其灵敏度已可超越超导量子干涉(SQUID)磁强计。光泵原子磁强计(OPM)的灵敏度会受到系统中光场偏振噪声、原子自旋投影噪声、磁场噪声、热噪声的影响，限制其灵敏度的提高。我们采用基于铷原子D1跃迁线偏振压缩光的光泵原子磁强计，以期提高磁场测量的灵敏度。

318 nm窄线宽高功率紫外激光及铯原子单光子Rydberg激发

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Rydberg 阻塞效应，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、量子信息及量子模拟等方面具有重要意义。

而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_3/2 (n=70 ~ 100) 里德堡激发，此方法一方面可以解决二步或三步激发方案中存在中间态布居导致的退相干问题，另一方面可以避免由于增加激发光光强而导致的AC-Stark频移，从而可在此基础上有助于相关物理问题的解决。

单光子级量子频率转换

在量子网络节点处的量子系统所产生的光场量子资源的频率，以及在节点处的量子存储和量子中继所存储的光场量子资源的频率，通常远高于在量子信道（比如光纤通信链路）中传输的光信号的频率。而为了实现量子网络，就需要实现量子资源的频率转换。

本实验小组采用周期极化非线性波导实现852nm向1560nm波长单光子水平量子频率下转换。在量子频率转换过程中存在的各种噪声有可能淹没转换后的信号，因此问题的关键在于如何抑制噪声，实验中我们采取多种窄带滤波手段，充分滤除并抑制背景光子噪声，以期提高量子频率转换的效率，这也为后续与852nm单光子源相结合提供了实验基础。