受限空间中光与超冷原子分子量子态的调控及其应用
量子调控科技在超冷原子物理中的应用研究
量子调控科技在超冷原子物理中的应用研究超冷原子物理是近年来发展迅猛的前沿领域，其在量子信息和精密测量等方面的应用潜力引起了研究者们的广泛关注。
而量子调控科技作为超冷原子物理实验中必不可少的手段，也成为了研究者们研究和探索的重点。
1. 量子调控技术概述量子调控技术是通过实验手段精确地控制和操纵原子和分子的量子态，使其服从人们的需求。
其核心思想是利用定量的物理学理论和数学模型，对材料的物理与化学性质进行预测和解释，从而进一步设计和构造具有特定功能的新材料或器件。
2. 超冷原子物理的研究背景超冷原子物理是利用激光冷却和磁性捕获等技术将气体原子冷却到极低温度的物理学研究领域。
在超冷原子物理中，原子的量子态可以被精确地调控和操纵，从而研究和探索量子力学的奇妙现象和应用。
3. 量子调控科技在超冷原子物理中的应用3.1 量子计算量子计算是利用超冷原子物理中的量子叠加特性和量子纠缠特性进行信息存储和计算的新兴领域。
通过控制和操纵原子的量子态，可以实现量子比特的创建、操作和测量，从而进行更快速和高效的计算。
3.2 量子模拟量子模拟是利用超冷原子物理中精确可控的量子态来模拟和研究复杂的量子系统的行为。
通过调控原子间的相互作用和外加的哈密顿量，可以模拟和研究一些类似于自旋模型、费米子模型等复杂的量子系统，从而揭示其中蕴含的深刻物理规律。
3.3 量子通信量子通信是基于量子力学原理的通信方式，其中超冷原子物理作为量子通信中的重要载体。
通过利用原子的量子态和量子纠缠特性，可以实现绝对安全的量子密钥分发和量子隐形传态等通信任务，具有极高的通信安全性。
4. 量子调控科技面临的挑战和展望4.1 实验技术挑战量子调控科技实验技术上面临着精确控制和测量的挑战，需要对实验装置和测量设备进行优化和创新，以提高实验精度和准确度。
4.2 理论研究挑战量子调控科技在超冷原子物理中的理论研究还存在许多问题待解，如如何更好地利用各种调控手段控制原子的量子态、如何进行高效率的量子计算和量子模拟等。
超冷原子气体中的量子调控研究
超冷原子气体中的量子调控研究超冷原子气体是一种研究量子物理学和量子信息科学的重要材料。
其独特的性质和行为使其成为探索量子调控的理想工具。
本文将介绍超冷原子气体中的量子调控研究，包括超冷原子气体的基本概念、量子调控的方法和应用。
一、超冷原子气体的基本概念超冷原子气体是指将原子冷却到接近绝对零度的温度（约为-273°C）下的一种状态。
在这个温度下，原子的运动速度减慢，其量子特性变得更加明显。
超冷原子气体通常可以通过激光冷却和磁性阱等技术实现。
超冷原子气体具有一些独特的性质和行为。
首先，原子之间的相互作用变得更加强烈，这使得超冷原子气体成为研究量子多体系统的理想材料。
其次，原子在超冷状态下具有波粒二象性，这使得它们可以被视为波函数，从而可以进行量子调控。
此外，超冷原子气体还具有长寿命、低散射等特点，这使得它们在量子计算、量子模拟和量子通信等领域具有广泛的应用前景。
二、量子调控的方法量子调控是指通过外部场的控制来实现对量子系统的操纵和控制。
在超冷原子气体中，常用的量子调控方法包括以下几种：1. 光场调控：利用激光和光场对超冷原子进行调控。
激光可以用来冷却原子、制备超冷原子气体和操纵原子的内部状态。
光场可以用来控制原子的运动和相互作用。
2. 磁场调控：利用磁性阱和磁场对超冷原子进行调控。
磁性阱可以用来捕获和操纵原子，磁场可以用来控制原子的内部状态和相互作用。
3. 微波调控：利用微波场对超冷原子进行调控。
微波可以用来操纵原子的内部状态和相互作用。
4. 超导量子调控：利用超导量子电路对超冷原子进行调控。
超导量子电路可以用来实现原子的操纵和控制。
以上方法都可以用来实现对超冷原子气体的调控和操纵，从而实现量子计算、量子模拟和量子通信等应用。
三、应用超冷原子气体在量子计算、量子模拟和量子通信等领域具有广泛的应用前景。
1. 量子计算：超冷原子气体可以用来实现量子比特的制备、操作和测量，从而实现量子计算。
其长寿命和低散射特点使得其在量子计算中具有很高的可靠性和稳定性。
囚禁离子、原子体系的精密调控及在量子频标上的应用
项目名称：囚禁离子、原子体系的精密调控及在量子频标上的应用首席科学家：王力军清华大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部中国科学院一、研究内容1、高性能的实验平台、可推广技术的建设将主要搭建以下两个基础实验技术平台和提供一套可推广技术：（1）高精度原子钟国家标准、比对平台。
（2）小型化、可搬动的高精度离子频标，用于频标比对。
（3）发展能可靠运行超窄线宽激光稳频技术。
2、离子囚禁技术、精密光谱及应用（1）研究离子囚禁新方法，新技术。
特别是特大离子云的囚禁、冷却方法。
研究各种新物理现象，包括相变的新型光学探测方法。
研究囚禁离子与外界相互作用，以及内外自由度的耦合和调控。
（2）基于镉离子的小型化、激光冷却射频量子频标，用于比对。
（3）开展离子囚禁新方法的理论研究。
3、光晶格锶原子光频标和铯原子喷泉微波频率基准及比对平台（1）研究光晶格囚禁锶原子光频标。
（2）研究铯原子喷泉微波频率基准性能指标提升关键技术。
改造现有NIM5铯原子喷泉钟, 使其频率天稳定度和不确定度均达到(1-2)x10-15，运行率99％。
（3）研究喷泉钟-光钟的溯源比对平台的关键技术。
为本项目研制的光频标提供绝对频率溯源比对参考，争取为未来国际改定秒定义提供基础数据。
4、超窄线宽激光及精密光谱研究（1）研制超窄线宽稳频激光。
为开展光学频率标准研究提供必不可少的激光源，发展能可靠运行的超窄线宽激光稳频技术。
（2）开展光梳精密光谱学的研究。
提高光谱检测灵敏度及分辨率，探索多频窄线宽相干光场同时与原子分子相互作用及相干控制新机理。
（3）开展基于三维光晶格冷原子的精密光谱与精密测量的研究。
用研制的578nm窄线宽激光，研究三维光晶格光钟的理论和实验问题。
研究与三维光晶格光钟相关的物理问题。
(4) 研究超窄线宽光纤精密传输系统，为光频标精密传输和光钟比对研究提供有效的技术路线和手段。
5、囚禁量子体系内外部量子态相互作用原理与调控（1）研究囚禁下粒子体系内外部量子态的耦合。
超冷原子系统的实现与应用研究
超冷原子系统的实现与应用研究超冷原子系统是一种通过极低温度和操控精确的原子束来研究奇妙现象的实验平台。
该系统利用激光冷却和波长选择技术，将原子冷却至极低温度，达到接近绝对零度的效果。
这种极低温度下的超冷原子束，具有粒子波动性，表现出量子行为，为物理学家研究和理解基本粒子行为提供了新的途径。
超冷原子系统的实现主要依赖于激光冷却技术。
激光冷却技术利用激光对原子施加辐射压力，使得原子的热运动减弱，从而达到冷却效果。
其中，最常用的激光冷却技术包括蒸汽冷却和梯度冷却。
蒸汽冷却通过调节激光的频率和强度，使原子吸收激光能量，从而降低原子能级，实现冷却效果。
梯度冷却则是通过在空间中创建梯度场，使得激光对原子的温度特性施加压力，从而冷却原子。
超冷原子系统的应用研究涵盖了多个领域，特别是在量子物理学和凝聚态物理学中发现了许多惊人的现象。
在量子物理学中，超冷原子系统可以模拟和研究量子纠缠、量子计算和量子信息传递等量子特性。
通过对超冷原子束施加操控的电磁场和离子束，科学家们可以探索和实验量子比特、量子门等新型量子计算元件。
这些研究为未来量子计算和通信技术打下了坚实的基础。
在凝聚态物理学领域，超冷原子系统提供了一种观察和研究凝聚态物质的新方法。
通过调整原子间的相互作用和自旋，科学家们可以模拟凝聚态物质中的超导、输运、磁性等性质。
超冷原子系统还可以模拟低维度体系和凝聚态相变等现象，帮助物理学家深入研究材料的性质和特殊形态。
除了物理学领域，超冷原子系统在其他科学领域也有广泛的应用和研究。
在化学领域，超冷原子束可以用于研究分子结构、反应过程和催化剂等。
超冷原子束的低温度和高纯度使得其在生物学研究和医学成像中也有潜在的应用。
科学家们可以通过操控超冷原子束的能量和转动速度，实现对生物分子和细胞的精确探测和成像。
总结起来，超冷原子系统的实现和应用研究是物理学、化学学、生物学等多个科学领域的重要研究课题。
这种系统通过极低的温度和操控精确的原子束，为科学家们提供了探索和研究微观世界的新平台。
超冷原子气体中的量子调控研究
超冷原子气体中的量子调控研究随着科技的不断进步，人类对于物质微观世界的认知也越来越深入。
量子物理学作为近代物理学的重要分支，研究的对象是微观粒子的行为与性质。
而超冷原子气体则是量子物理学中的一个重要研究领域，它不仅有着重要的理论价值，还具有广泛的应用前景。
本文将从超冷原子气体的基本特性入手，介绍量子调控的基本概念，探讨超冷原子气体中的量子调控研究进展，并展望其未来的应用前景。
一、超冷原子气体的基本特性超冷原子气体是指将气体冷却到绝对零度以下的状态，使其具有量子特性的一种物质。
在超冷原子气体中，原子的热运动几乎停止，使得原子之间的相互作用更加显著，从而产生了一系列新的物理现象。
超冷原子气体的研究具有重要的理论意义和实际应用价值，它不仅可以用来研究基本粒子物理学中的一些问题，还可以应用于制备高灵敏度的传感器、量子计算等领域。
二、量子调控的基本概念量子调控是指通过对量子系统的控制，使其演化到特定的态或者实现特定的量子操作的过程。
量子调控可以通过外部的电磁场、光场、声场等方式来实现。
在超冷原子气体中，量子调控可以通过调节外部场的强度、频率、相位等参数来实现。
量子调控的基本原理是对量子态进行干涉，通过对干涉过程的控制来实现量子信息的处理和传输。
三、超冷原子气体中的量子调控研究进展超冷原子气体中的量子调控研究已经取得了许多重要的进展。
下面将分别从量子信息处理、量子模拟和量子传感器三个方面介绍超冷原子气体中的量子调控研究进展。
1. 量子信息处理量子信息处理是指利用量子力学的特性来完成信息的处理和传输。
在超冷原子气体中，量子信息处理可以通过量子比特的控制来实现。
量子比特是指超冷原子气体中的一个量子态，它可以用来存储和传输量子信息。
目前，已经实现了超冷原子气体中的量子比特的制备和控制，这为量子信息处理的实现提供了基础。
同时，利用量子比特的相干性和纠缠性，可以实现量子计算、量子通信等重要的量子信息处理任务。
2. 量子模拟量子模拟是指利用量子系统来模拟复杂的经典物理系统或者量子物理系统的过程。
超冷原子在量子模拟中的应用
超冷原子在量子模拟中的应用超冷原子是一种特殊的物质状态，它们的温度远低于绝对零度，几乎接近于绝对零度。
这种低温状态下超冷原子具有与量子力学有关的特殊性质，使得它们成为研究量子现象和量子模拟的理想系统。
在过去几十年中，超冷原子在量子模拟领域取得了重要的突破，为物理学、化学、材料科学等领域的研究提供了新的工具和方法。
1. 原子冷却技术超冷原子实验通常需要借助原子冷却技术。
原子冷却技术通过限制原子的运动，使其达到极低的温度。
目前常用的原子冷却技术包括莫特勒冷却、蒸发冷却和强迫辐射冷却等。
这些技术的运用使得研究人员能够将原子冷却到几纳开尔文以下，实现超冷原子的制备。
2. 量子模拟的基本原理量子模拟利用超冷原子系统来模拟和研究其他复杂的量子系统，如固体材料中的电子行为、高能物理中的粒子模型等。
超冷原子系统的可以模拟多种粒子相互作用的行为，重现量子力学中的各种现象。
通过调控超冷原子之间的相互作用，研究人员可以模拟和研究一些难以观测或难以控制的量子现象。
3. 量子模拟在物理学中的应用超冷原子的量子模拟在物理学中有广泛的应用。
它可以帮助解决一些基础物理学中的难题，例如量子磁性、量子霍尔效应和高温超导等。
通过在超冷原子系统中建立与实际系统相似的哈密顿量，研究人员可以模拟这些现象并深入理解其中的物理机制。
4. 量子模拟在化学中的应用化学反应通常涉及大量的粒子耦合和相互作用，难以精确计算和模拟。
超冷原子的量子模拟提供了一种新的方法，可以在控制条件下精确模拟和研究化学反应的动力学过程。
通过调整原子之间的相互作用和耦合强度，研究人员可以模拟和优化化学反应的过程，加深对分子结构和反应机制的理解。
5. 量子模拟在材料科学中的应用材料科学研究需要了解材料的电子结构、磁性行为等，这通常需要复杂的计算和模拟。
超冷原子的量子模拟提供了一种新的视角来研究材料中的电子行为。
研究人员可以通过调整超冷原子系统中原子之间的相互作用，模拟和研究材料的电子结构和输运特性，为新材料的设计和合成提供理论指导。
超冷原子物理学的基本原理及实验应用
超冷原子物理学的基本原理及实验应用超冷原子物理学是一门研究在很低温下对气体进行控制、调制和干涉的领域。
超冷原子物理学的应用领域非常广泛，包括量子计算、精密测量学、量子模拟、量子通信和量子加密等。
本文将探讨超冷原子物理学的基本原理和实验应用。
1. 超冷原子物理学基本原理超冷原子物理学中的“超冷”指的是将粒子冷却到接近绝对零度的温度(约-273.15℃)以下。
将粒子冷却到极低的温度后，它们的动能将变得非常小，这时它们的量子特性变得明显，如波粒二象性、干涉和相干等。
冷却技术主要有四种，包括光致冷却、电致冷却、蒸发冷却和磁致冷却。
光致冷却是一种将光子的方向和动量传递给原子的冷却方法，其基本原理是利用光场将粒子吸收进过渡态，再将发射能量较小的光子吸收出粒子从而使其受到反向的动量。
通过这种方式，可以将气体冷却到几微开尔文以下的低温；电致冷却利用的是场效应，可以使得具有一定电荷量的粒子在电场中获得能量，电能状态的改变反映为粒子温度的下降，从而实现冷却目的。
蒸发冷却是一种比较高效的冷却技术，通过和气体分子的碰撞使分子获得能量而温度降低，本质上是利用了分子的“脱附”机制使得分子温度下降；磁致冷却是一种最为基础的冷却方法，利用磁场将原子束束缚在小的空间传导路径之内，结合势阱压缩原子束的尺寸来实现冷却效果。
超冷原子物理学主要研究在超低温下对粒子进行控制、操作和观察。
它主要基于两种原子的量子特性：波特性和相干性。
波粒二象性表明任何粒子都具有波特性和粒子性。
在超低温下，粒子的波长与相互作用的距离相当，这将导致各种波在粒子之间互相干涉。
而相干性则表明粒子在某些条件下会表现出量子相关性，如基态，叠加态等。
在这种情况下，两个或多个相互作用的原子将表现出同步现象。
通过这两种特性的使用，可以将超冷原子控制到极高的精度，并实现量子逻辑门等操作。
2. 超冷原子物理学的实验应用超冷原子物理学的实验应用领域非常广泛。
以下是其中一些主要应用举例：2.1 量子计算在超冷原子物理学中，可以制备和操作高质量的量子比特。
超冷原子的量子操控技术
超冷原子的量子操控技术超冷原子是一种在低温环境下制备的原子气体，其温度通常低于微观多粒子系统的相互作用能，因此在这种极低温的条件下，原子的量子行为就会显现出来。
超冷原子的研究已经成为当今量子物理和冷原子物理学中的热门领域。
量子操控技术在超冷原子研究中起到了重要的作用，它使得科学家们可以精确地操纵原子的量子态，从而实现一系列令人叹为观止的实验和应用。
首先，让我们来了解一下超冷原子的制备方法。
超冷原子的制备主要依赖于激光冷却技术和磁性捕获技术。
激光冷却技术通过使用多个激光束将气体原子的动能消耗掉，从而使其冷却到接近绝对零度的温度。
磁性捕获技术则利用磁力场将原子限制在一个磁性陷阱中，以便进一步冷却和操控。
这些方法的结合使得超冷原子的制备成为可能。
了解了超冷原子的制备方法，我们现在来探讨一下量子操控技术在超冷原子研究中的应用。
量子操控技术可以精确地控制原子的量子行为，包括其能级结构、态演化和相互作用。
通过操控原子的能级结构，科学家们可以实现原子之间的相干相互作用，从而用于量子计算和量子模拟。
通过操控原子的态演化，科学家们可以研究量子相变和量子相互作用。
通过操控原子之间的相互作用，科学家们可以实现量子纠缠和量子隐形传态。
这些操控技术为超冷原子研究带来了巨大的进展，并且为量子信息领域的发展奠定了基础。
除了以上提到的应用，量子操控技术还在量子精密测量、量子模拟和量子传感等领域得到广泛应用。
在量子精密测量中，科学家们可以利用超冷原子的量子特性，将其作为高精度测量的基本单位。
在量子模拟中，科学家们可以利用超冷原子构建一个量子模拟器，对一些复杂的量子系统进行研究和模拟。
在量子传感中，科学家们可以利用超冷原子的精确控制能力，制备高灵敏度的传感器，用于检测微弱的物理量。
随着量子操控技术的不断发展，超冷原子的研究也进入了一个新的阶段。
科学家们正在不断探索新的操控方法和技术，以进一步提高超冷原子的量子控制精度和稳定性。
同时，研究者们还在尝试将超冷原子与其他领域的物理系统进行耦合，从而实现更加丰富的量子控制和应用。
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项目名称：受限空间中光与超冷原子分子量子态的调控及其应用首席科学家：贾锁堂山西大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：山西省科技厅一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题：超冷原子分子作为一种理想的介质已经被广泛用于物质与场的相互作用，原子/分子量子态是精密光谱、量子信息以及超高灵敏测量的重要量子资源。
为实现受限空间中光场与超冷原子分子相互作用所产生的新型量子态的操控与应用，拟解决的关键科学问题如下：1)在超冷条件下，从单原子到原子系综的量子态（包括纠缠态、相干叠加态、自旋压缩态等）制备和操控的新原理、新方法。
中性原子的冷却及长时间的有效控制；偶极阱中单粒子的高效装载以及在特定环境（如微光学阱、微腔）中单粒子的外态和内态的控制；基于冷原子系综的自旋压缩态制备和应用及量子非破坏性测量；失谐偶极光阱，制备高密度超低温冷原子团；利用量子非破坏性测量并实现冷原子自旋压缩态、冷原子自旋压缩、量子Fisher信息及量子关联。
2)受限空间中光与原子/分子相互作用（包括强耦合）的物理实现及其新奇量子效应。
微型光学阱和微光学腔的构建和控制的新方法；基于强耦合真空受激拉曼绝热输运过程的量子态的制备；耗散过程对量子态制备和操控的影响以及克服退相干的新途径；极化费米子超流体系、玻色-费米混合体系、组错晶格的相互作用与玻色体系等的新奇量子态;BCS-BEC渡越的物理机制。
3)超冷极性分子量子气体的高效制备和分子量子态操控的新机制。
超冷极性分子及相干叠加态和纠缠态的制备；利用外场有效调控极性分子之间的偶极—偶极相互作用以及超冷极性分子与单光子的强耦合作用；实现高保真度的量子信息存储以及精密光谱测量。
4）精密光谱、量子计量、量子测量(包括量子非破坏性测量等)和量子信息中的新原理和新技术。
发展基于噪声微扰的新型精密光谱方法，进行原子系统中磁场的精密测量；基于光腔和电磁诱导透明（EIT）联合作用以及冷原子系综的自旋压缩态的制备，实现突破标准量子极限的精密测量，提高量子计量中参数估计的精度；进行超冷极性分子的超高分辨光谱测量，利用分子纠缠态实现量子逻辑门；利用受限空间中光与原子分子强耦合相互作用产生的新型量子态，实现原子的量子寄存、可控单光子源以及量子节点。
研究内容：1)微型光阱和微光学腔中原子内外态的完全控制方法，光与原子强耦合作用下量子态的操控及克服退相干的新机制。
研究在微光学阱和微光学腔中确定数目原子的冷却、光学俘获以及相干控制。
研究光与原子强耦合相互作用的实现途径以及该体系中量子态的制备、操控及退相干的物理机制。
利用多原子与阵列腔的强耦合，研究可抑制退相干的机制，实现多原子量子态控制的方案；研究受限空间中少量原子与光子相互作用中的非经典效应。
2)超冷原子系综自旋压缩态和纠缠态的制备及物理机制，利用量子非破坏性测量，在偶极光阱中实现高密度冷原子系综的自旋压缩态，量子态经典探测方法的噪声机制以及噪声极限研究，原子压缩态的产生及探测。
理论上研究冷原子自旋压缩态与量子Fisher信息。
研究如何给出数值上容易计算且实验上容易测量的纠缠量度或纠缠目击者。
利用量子非破坏性测量实现冷原子自旋压缩态，进一步研究量子非破坏性测量在高精度测量和冷原子光钟中的应用。
3)超冷极性分子量子气体以及振转冷却的基态极性分子的制备，光晶格中极性单分子的实现以及分子纠缠态的相干操控。
基态超冷极性分子的高效制备的新机制，原子-分子转换的非线性系统内在的多体动力学与操控。
极性分子系综的偶极—偶极相互作用以及与光场强耦合作用下产生的新奇量子态及其调控。
超冷里德堡分子的长程相互作用。
超冷极性分子量子态与单光子量子态之间的演化特性，实现高保真度的量子信息存储。
4）光学晶格中超冷原子分子体系的关联效应及新奇量子态的物性，极化费米子超流体系中FFLO态实现的理论方案。
研究在相互作用玻色体系以及玻色-费米混合体系中新奇量子态，BCS-BEC渡越的物理模型并进行非微扰的理论处理，将经典波动中的若干现象拓展到物质波领域从而实现将冷原子领域中的新奇现象在水波实验中加以展示，基于关联效应及新奇量子态的新型精密原子光谱与量子测量技术。
5)量子态在精密光谱测量、量子计量、量子测量和量子信息中的应用。
利用受限空间中光与原子分子强耦合相互作用产生的新型量子态（包括光场非经典态、原子/分子相干叠加态、原子/分子纠缠态、原子系综自旋压缩态等），提高量子计量中参数估计的精度，发展突破标准量子极限的精密测量、基于噪声微扰的新型精密光谱以及分子超高分辨光谱的新原理、新技术，制备新型量子信息器件，如量子寄存器、可控单光子源、分子量子逻辑门等。
二、预期目标1.总体目标：针对国内外原子分子物理及量子光学迅速发展的趋势，根据国家重大科学研究计划--“量子调控”的指南方向—“受限空间中光与超冷原子（离子）、分子耦合量子态的制备、测量及调控”的核心内容，本项目汇集我国原子分子物理和量子光学研究方面的优势力量，面向国家中长期科学发展的战略目标，在已有的若干超冷原子分子实验平台的基础上，通过对受限空间中光与原子分子相互作用系统的研究，发展新的量子调控手段和测量技术，在光与原子/分子系统量子态的操控与应用方面取得重大突破，提高我国在冷原子分子研究方面的整体水平，促进其与量子光学的进一步融合，获取量子态操控和应用的核心技术，为解决我国在量子信息关键器件、精密光谱以及超高灵敏测量中的重大需求奠定科学基础并提供技术储备。
通过项目的执行，形成一支具有开拓创新精神和国际竞争力的高水平研究队伍，建立在学术上具有重要国际影响的科研基地，提升我国在原子分子前沿研究领域的水平。
预计发表高水平论文100篇以上，申请获得国家发明专利10项以上，培养30名以上优秀人才，并组织若干次高水平的学术会议。
2.五年预期目标：1）改造与升级现有的实验研究平台，掌握在受限空间中制备超冷原子分子量子态的核心技术和方法。
2）掌握基于激光冷却与俘获的单原子制备及高灵敏检测技术，实现光与单个原子的强耦合（临界光子数达到0.1以下），实现单原子外态及内态的完全控制以及原子相干叠加态的高效率高保真制备。
3）采用双光子受激Raman绝热操控方案实现单原子的可控Rabi振荡，实现原子-光子的量子纠缠，利用原子与单个腔场或耦合阵列微腔的强耦合，提出有效克服消相干的新方案，利用原子的相干叠加态完成量子可控门。
4）制备超冷极性分子量子气体，通过调控分子间偶极—偶极相互作用，实现退相干时间长的可控多通道量子信息存储和提取。
5）在光晶格中制备超冷极性单分子和分子纠缠态，实现微波光子与单极性分子的强耦合，测量转动态的超精细结构光谱，利用分子纠缠态实现量子逻辑门和量子计算。
6）理论上在相互作用的玻色-费密混合系统、转动的旋量玻色子超流态以及玻色-费米混合系统中，实现若干新奇量子态。
7）建立超冷费米原子凝聚体在Feshbach共振区的物理模型，解释强相互作用体系的相图和赝能隙特性，发展处理超冷原子多体问题的新途径。
8）实现超冷原子量子态突破标准量子极限的非破坏性测量。
利用量子非破坏性测量以及光腔和EIT联合作用实现冷原子自旋压缩态。
9）理论上给出高自旋真正多体纠缠,关联和自旋压缩的定量关系，以及实验上容易测量的且基于自旋不等式的纠缠量度或纠缠目击者。
10）预计发表高水平论文100篇以上，申请获得国家发明专利10项以上，培养30名以上优秀人才。
三、研究方案（一）学术思路、技术途径学术思路：以受限空间中光与超冷原子分子相互作用为核心，利用已建立的实验平台和取得的进展，理论与实验相结合，实现光场与超冷原子分子的相互作用，以高保真、相干性良好的量子态的制备和应用为目标，实现从单原子分子到原子分子系综外部和内部状态的操控，获得光场非经典态、原子/分子相干叠加态、纠缠态、原子系综自旋压缩态等多种量子态，把量子态应用到精密光谱测量、量子计量、量子测量和量子信息中，使现有冷原子分子的量子调控和应用提高到一个全新的水平。
技术途径：在微光学阱、微光学腔、光学晶格、电势阱等受限空间中，通过对光与超冷原子分子相互作用系统的调控，制备多种量子态，并实现其应用。
具体技术路线如下：1）基于微型光学阱系统的技术路线:1.1）在已建立冷原子磁光阱系统的基础上，通过分析影响原子装载率的物理机制，将磁光阱的参数拓展到特殊条件下，以显著降低原子的装载率，达到制备单原子的目的；1.2）分析影响单原子荧光信号信噪比的物理因素，优化实验参数，设计高效的单原子荧光收集系统，掌握单原子探测和识别技术；1.3）采用远失谐波长的高斯激光束构建微型偶极阱，实现对单原子俘获，显著减弱由于自发辐射导致的退相干；1.4）采用超精细态和Zeeman态光抽运，实现初态制备，采用态选择荧光探测识别单原子量子态，借助于双光子Raman绝热输运方案研究单原子可控Rabi振荡。
2)基于微光学腔的技术路线：2.1）以现有的铯原子磁光阱为研究对象，采用蓝光诱导的原子解吸附技术，实现磁光阱中原子数目和装载的有效控制；2.2）采用两套方案实现原子的输运以及单原子的控制：(1)利用双色远失谐光学阱（FORT）构建原子传送带，通过控制FORT光的频率实现对单个原子的输运。
(2)直接在腔内构建微光学阱俘获单个原子；2.3）微光学腔方面，利用“超镜”（super-mirror）组成长短不同的微光学腔，在保证耦合强度能够达到强耦合的条件下，尽可能增大腔的长度；2.4）腔的控制方面将采用PDH方法，实现不同光场在腔内的共振或者特定失谐；2.5）原子内态的制备方面，利用真空STIRAP过程实现原子态的制备，Raman 过程能有效避开原子激发态的参与从而可以获得较长的相干时间，为光子和原子量子态的制备、转移、映射以及后续测量等奠定基础；2.6）强耦合以及量子态的测量采用单光子探测器测量微光学腔泄漏的光子完成，主要采用单光子探测和多光子关联测量等手段。
3)基于超冷极性分子系统的技术路线：3.1）用光缔合和Raman共振转移的方法，制备振转量子数为零，温度100μk 左右的基态冷极性分子；3.2）使用大失谐的光学阱囚禁超冷分子，然后使用光学蒸发冷却，制备1μk 左右的极性分子量子气体。
在此基础上使用光格子，制备单极性分子量子叠加态与分子纠缠态；3.3）通过外电场对极性分子量子态进行调控，实现单光子量子态的信息存储和提取，通过外场操控分子纠缠态，获得分子量子逻辑门；3.4）利用双光子激发获得n l里德堡原子，由基态原子和里德堡原子在一定对称性势阱中形成里德堡分子；3.5）利用外加电场调控里德堡原子间的偶极相互作用,研究偶极阻塞效应,通过里德堡原子分子的阻塞效应实现可控量子逻辑门。
4)基于冷原子系综的技术路线：4.1）在现有的铷冷原子平台基础上，实现铷原子在远失谐光学偶极阱中的囚禁；4.2）通过各种降噪措施,例如对超冷原子装置采取特殊隔振，对真空系统应用高效磁屏蔽，研制低噪声激光器，抑制环境噪声等方法,实现冷原子态的标准量子极限探测；4.3）通过远失谐激光和冷原子系综相互作用和光学干涉鉴相手段，探测冷原子系综，实现突破量子极限的非破坏性测量；4.4）通过量子态的非破坏性测量方法或者基于光腔和EIT联合作用实现自旋压缩态制备；4.5）在理论上，采用量子控制技术（如量子淬火等）进行长时间的保持量子态的自旋压缩特性的研究；利用合适的纠缠度量，进行高自旋中压缩和纠缠的定量关系的研究。