冷原子系综内基于里德堡阻塞机制的单量子态制备与操控
基于里德堡原子的微波全信息测量
基于里德堡原子的微波全信息测量贾凤东1，郝建海1，崔越1，王宇翔1，刘宇晴1，王宇2，尤建琦2，白金海2，钟志萍1，3*（1.中国科学院大学 物理科学学院，北京 100049；2.航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095；3.中国科学院大学 中国科学院拓扑量子计算卓越中心，北京 100190）摘 要：介绍了里德堡原子微波电场传感器的工作原理，阐述了基于里德堡原子测量微波电场强度、相位、极化、频率等信息的技术特点，分析了基于里德堡原子的微波全信息测量的研究现状，探讨了当前绝对自校准测量和连续宽带高灵敏测量面临的困难，指出可以通过外场调控实现测量灵敏度提升和宽带连续频率测量；并可通过各种调制及解调手段简化相位、极化的测量和读取。
分析了在热原子系统中利用多光子激发消除多普勒展宽以及采用冷原子消除多普勒展宽对于提升微波测量灵敏度的潜在优势，提出未来可利用里德堡原子的高轨道角动量态、强关联等特性进一步提升里德堡原子微波电场传感器性能。
关键词：微波电场传感器；里德堡原子；电磁感应透明中图分类号：TB939；TP212；O56 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2024）01-0001-22Microwave full information measurement based on Rydberg atomsJIA Fengdong 1, HAO Jianhai 1, CUI Yue 1, WANG Yuxiang 1, LIU Yuqing 1,WANG Yu 2, YOU Jianqi 2, BAI Jinhai 2, ZHONG Zhiping 1,3*(1.School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China ；2.Changcheng Institute of Metrology & Measurement, Beijing 100095, China ；3.CAS Center for Excellence in TopologicalQuantum Computation, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)Abstract: This paper introduces the principles of the Rydberg atom microwave electric field sensor, elucidating the technical features of measuring the information of microwave electric field strength, phase, polarization, and frequency based on Rydberg atoms. Then it analyzes the current state of microwave full‐information measurement based on Rydberg atoms and discusses the challenges faced by absolute self‐calibration measurements and continuous broadband high‐sen‐sitivity measurements. It points out that measurement sensitivity enhancement and continuous broadband frequency mea‐surement can be achieved through external field modulation. Various modulation and demodulation techniques are sug‐gested to simplify phase and polarization measurements and data reading. The paper also explores the potential advan‐tages to eliminate Doppler broadening effect by adopting multiphoton excitation in atomic vapor cell systems and adoptingcold atomic systems to enhance microwave measurement sensitivity. It proposes the possibility for future exploration of such characteristics of Rydberg atoms as high orbital angular momentum states and strong correlations to further improvedoi ：10.11823/j.issn.1674-5795.2024.01.01收稿日期：2023-12-20；修回日期：2024-01-24基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFA0304900、2017YFA0402300）；北京市自然科学基金项目（1212014）；中国科学院重点研究计划项目（XDPB08-3）；中央高校基本科研业务费专项资金项目引用格式：贾凤东， 郝建海， 崔越， 等. 基于里德堡原子的微波全信息测量［J ］. 计测技术， 2024， 44（1）： 1-22.Citation ：JIA F D ， HAO J H ， CUI Y ， et al. Microwave full information measurement based on Rydberg atoms ［J ］.Metrology & Measurement Technology ， 2024， 44（1）： 1-22.the performance of Rydberg atom microwave electric field sensors.Key words: microwave electric field sensor; Rydberg atom; electromagnetic induction transparency0 引言对量子状态的主动调控和操纵引发了第二次量子革命，发展出量子通信、量子计算和量子精密测量等前沿领域。
基于量子Zeno效应的量子态纯化研究
基于量子Zeno效应的量子态纯化研究
孙权海;朱守金;苏磊;杨波;潘国柱
【期刊名称】《淮北师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(039)004
【摘要】量子Zeno效应表述为频繁地测量不稳定量子系统可以阻止其初始态的变化.辅助系统与目标系统存在相互作用,当辅助系统被频繁地测量时,目标系统的量子态可以被驱动着向目标量子态变化,这就是由量子Zeno效应衍生出来的量子Zeno-like测量.基于此测量可以设计出只需要一次操作就可以实现完美的量子态纯化方案.
【总页数】3页(P46-48)
【作者】孙权海;朱守金;苏磊;杨波;潘国柱
【作者单位】安徽三联学院基础实验教学中心,安徽合肥 230601;安徽三联学院基础实验教学中心,安徽合肥 230601;安徽三联学院基础实验教学中心,安徽合肥230601;安徽三联学院基础实验教学中心,安徽合肥 230601;皖西学院材料与化工学院,安徽六安 237012
【正文语种】中文
【中图分类】TN201
【相关文献】
1.从对中子存活概率的影响来看量子Zeno效应 [J], 王伟光;闫学群
2.Zeno佯谬与量子Zeno效应浅析 [J], 李晓奇;郭杰
3.基于量子Zeno效应的量子态纯化研究 [J], 孙权海;朱守金;苏磊;杨波;潘国柱;;;;;
4.基于量子Zeno效应的二位防错方案 [J], 陈平形
5.利用量子Zeno动力学与里德堡泵浦效应耗散制备Bell态 [J], 杨小汶;陈翔因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
冷原子与量子气体的物态研究
冷原子与量子气体的物态研究随着科学技术的不断发展，人们对于物质的认知也越发深入。
冷原子与量子气体作为当下研究的热门方向，为我们揭示了物质世界的奥秘。
本文将以冷原子与量子气体的物态研究为主题，探索其前沿科技及其在实际应用中的意义。
一、冷原子的概念与发展冷原子是指经过原子捕获和制冷技术处理后达到较低温度的原子。
冷原子的研究始于20世纪80年代，当时科学家开始制备出低温气体，并观测到了冷原子的玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation，BEC）。
这一发现是在气体原子物理领域的重大突破，也得到了2001年的诺贝尔物理学奖。
冷原子的研究不仅仅局限于基础物理学领域，它在精密测量、量子计算、量子模拟等方面都有着广阔的应用前景。
冷原子在量子信息领域的应用尤为引人注目。
目前，科学家们已经实现了用冷原子实现的量子比特操作，这对于量子计算机的研究有着重要意义。
二、量子气体的物态研究量子气体是指原子或分子处于极低温度下，行为受到量子力学效应支配的状态。
在这种极低温度下，分子原子的行为变得非常奇特和非经典，表现出了诸多新奇的性质。
量子气体的研究对于理解量子力学的基本原理和宏观世界的量子行为非常重要。
目前，科学家们主要研究的量子气体有玻色气体和费米气体两种。
玻色气体由具有整数自旋的玻色子组成，表现出玻色-爱因斯坦凝聚现象，其研究成果已经得到了实际应用。
费米气体由具有半整数自旋的费米子组成，其行为更符合费米-狄拉克统计。
量子气体的研究激发了科学家们对于量子相变和超流现象的热情。
相较于经典气体，量子气体在低温下能够表现出超导和超流现象，这种现象在生活中是不可见的，但却对科学研究有着深远影响。
通过研究量子气体，科学家们能够更好地理解这些奇特现象，并将其应用于能量传输、电子元件等领域。
三、冷原子与量子气体的应用前景冷原子与量子气体的研究为诸多科技领域带来了无限的可能。
例如，利用冷原子技术可以进行精密测量，实现高精度的惯性测量和重力测量。
冷原子系统中里德堡集体激发态的尺寸缩小效应
冷原子系统中里德堡集体激发态的尺寸缩小效应
丁冬生;于溢琛;刘宗凯;史保森;郭光灿
【期刊名称】《中国科学技术大学学报》
【年(卷),期】2022(52)4
【摘要】原子的集体效应表现出光和原子之间增强的相互作用,这在量子光学和量子信息领域有重要的研究意义。
当原子的状态发生变化时,拉比振荡会表现出丰富的动力学特性。
本文报道了在冷原子气体中拉比振荡过程中里德堡原子集体态的尺寸缩小效应。
首先通过存储制备了里德堡原子集体激发态,再测量辐射光子的时间变化曲线。
观察到振荡频率的降低效应,这表现出啁啾特性,这是由于集体态的衰减和基态原子损失引起的。
该结果有助于研究里德堡原子的集体效应的动力学行为以及操纵单光子波包。
【总页数】8页(P1-7)
【作者】丁冬生;于溢琛;刘宗凯;史保森;郭光灿
【作者单位】中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室;中国科学技术大学量子信息与量子物理协同创新中心
【正文语种】中文
【中图分类】O431.2
【相关文献】
1.超冷里德堡原子的产生以及探测
2.OClO里德堡态激发能的准确预测及其阴离子低能激发态的从头算研究
3.氦原子里德堡态(1snp)的平方塞曼效应
4.超冷里德堡原子的研究进展
5.基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术研究进展
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于里德堡原子基态反阻塞制备纠缠态
基于里德堡原子基态反阻塞制备纠缠态量子信息科学（Quantum Information Science）作为一门新兴的交叉学科,是量子力学与信息科学的产物。
量子信息科学主要依赖于量子力学的相关性质以及量子态的纠缠特性。
处于纠缠态的两个子系统,无论它们之间的距离有多远,它们依然存在关联。
量子纠缠态研究工作是量子信息发展的核心,通过对量子纠缠态的操作,从而实现信息的编码、存储、提取、传递。
本文提出通过三能级里德堡原子基态反阻塞机制制备纠缠态的方案,并基于该方案通过三种脉冲方式达到制备两原子最大纠缠态的目的。
原子处于激发态（高能级）具有不稳定性,即使没有外界条件影响下,电子同样会自发从激发态跃迁至低能态。
原子自发辐射会降低纠缠态的保真度,引入A型三能级里德堡原子可以有效地抑制高能级的自发辐射,因此可将量子信息编码在A型三能级原子的两个基态上。
Rydberg原子之间主要存在远距离的偶极-偶极相互作用,由于Rydberg原子较大的偶极矩,增大了里德堡的偶极-偶极相互作用的强度,从而引起Rydberg原子之间的偶极封锁效应。
“Rydberg封锁”效应可以阻止多个原子同时进入一个Rydberg态,所以一个原子的演化可以由另一个原子的状态决定。
通过脉冲激光场传输到高激发态（Rydberg态）的原子之间的较强的偶极相互作用已经被学者提出,并利用其性质发表了相关文章。
另外,其他学者提出将量子信息编码在基态上（初态是|gg>）,基于里德堡原子的基态封锁效应达到制备纠缠态的目的。
基于以前学者提出的方案,我们利用Rydberg原子基态反阻塞效应实现制备纠缠态的目的,并通过三种脉冲途径实现最大纠缠态。
首先,利用周期脉冲形式获得目标态需要准确的相互作用时间;其次,利用受激拉曼绝热途径获得最大纠缠态不需要准确的相互作用时间,但是需要更长的相互作用时间;最后,利用绝热捷径获得处于|φ>态的概率为1时(|φ>=（|φ|=|gg>-|ee>）/2<sup>1/2</sup>),即不需要准确的演化时间,也不需要较长的演化时间。
原子芯片的实现与冷原子的操控的开题报告
原子芯片的实现与冷原子的操控的开题报告题目：原子芯片的实现与冷原子的操控摘要：在本次开题报告中，将介绍关于原子芯片和冷原子操控的研究现状和发展趋势。
首先，我们将对原子芯片的实现进行详细介绍，包括其制备方法、性能和应用方向。
然后，我们将介绍冷原子的操控方法，包括光量子计算、量子通信和量子模拟等方面的应用。
最后，我们将讨论原子芯片和冷原子操控结合的前景与挑战，并展望未来的发展方向。
关键词：原子芯片；冷原子；操控；光量子计算；量子通信；量子模拟1. 引言原子芯片是一种集成电路技术与原子物理学相结合的新型器件，其在量子计算、量子通信、量子模拟等领域拥有广泛的应用前景。
冷原子技术是一种现代物理学研究热门领域，其在制备量子比特、量子态转移等方面拥有独特的优势。
本文将对原子芯片的实现和冷原子操控的技术发展进行深入探讨。
2. 原子芯片的实现原子芯片是一种新型芯片，由于其制备工艺的复杂性和精细度，使得原子芯片具备了一系列优异的特性：（1）内部结构简单，易于实现单一原子的定位；（2）可控性强，可在特定环境下精确控制原子的运动轨迹；（3）存储能力大，能存储大量信息；（4）光学控制效果较好，可用于实现量子计算等。
在制备原子芯片的过程中，需要使用先进的微纳技术，通常分为以下几个步骤：（1）制备芯片表面，在芯片表面生长金属或者其他材料；（2）制备原子微阱，在芯片表面同时制备出原子微阱；（3）定位冷原子，在制备好的原子微阱中定位冷原子；（4）对原子进行操控，通过调节外界条件，如激光强度和频率等，控制原子的运动、状态和操作。
3. 冷原子的操控冷原子是指通过激光冷却等技术，将原子冷却至极低温度的状态下，用于制备量子比特、量子态转移等方面。
冷原子的操控可以通过利用光学调节、激光与磁场调节等方式来实现，且具有高精度和高可控性的特点。
（1）光量子计算将光子和冷原子结合在一起，即可对光子的信息传递进行操作和处理，从而可以实现基于光的量子计算。
冷原子量子
冷原子量子冷原子量子是指在低温条件下操控和研究的一种物理现象。
在极低温度下，原子的运动速度减慢，从而使其行为表现出更明显的量子效应。
这种量子行为的研究对于理论物理和应用技术都具有重要意义。
冷原子量子物理学在近些年得到了广泛的关注和研究。
其核心是通过冷却和操控原子，使其处于极低温度状态。
这种低温状态下，原子的运动受限，其行为将受到量子力学的影响。
冷原子体系通过外加磁场或激光束的干涉，可以实现对原子的精确操控。
这种操控不仅可以研究原子的基础理论，还可以在量子信息、凝聚态物理、精密测量等领域中得到应用。
冷原子量子物理学有助于我们深入理解量子力学的基本概念和原理。
在凝聚态物理中，量子力学的行为往往在宏观尺度上得到体现，从而帮助我们理解宏观物质的性质。
通过冷原子体系，我们可以将量子行为延伸到微观尺度，研究和利用原子的量子特性。
这种研究对于构建量子计算机、量子通信、量子模拟等领域产生了重要的启示。
此外，冷原子量子物理学还为准确测量和精密控制提供了新的手段和方法。
利用冷原子体系，我们可以实现对时间、长度、频率等物理量的超高精度测量。
这对于精密测量、导航定位、卫星通信等领域具有重大意义。
同时，冷原子量子技术还为超精密钟、引力波探测器等设备的研制提供了新的思路和解决方案。
综上所述，冷原子量子物理学是一门前沿的学科，通过对低温原子体系的研究，揭示了量子力学在微观尺度的重要性。
它为我们理解和应用量子行为提供了新的途径和思路。
冷原子量子物理学的发展对于推动科学技术的进步具有重要意义，将为未来的量子技术和精密测量提供新的突破和发展方向。
CBG
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
冷原子系综内基于里德堡阻塞机制的单量子态制备与操控
实现大尺度的量子通信和量子网络,是当前量子信息技术研究的核心内容之一,量子中继在其中起到至关重要的作用。
冷原子系综是一个十分有希望用于构建量子中继系统的物理体系,然而其现有的实现方案具有不可避免的概率性缺陷。
通过引入里德堡阻塞机制,我们能克服系综体系的概率性缺陷,实现确定性的单
量子态制备与操控以及确定性的量子纠缠态制备,进而推动量子中继技术的快速发展。
我们结合冷原子系综内基于概率源的传统量子存储、里德堡原子操控和里德堡阻塞效应等方面的研究成果,搭建了全新的里德堡冷原子系综量子信息处理实验平台,完成了一系列探索和研究工作。
我们首先解决了至关重要的实验技术问题,如制备了微小原子系综,获得了窄线宽激光系统,等等。
之后利用里德堡态电磁诱导透明机制,实现了里德堡态操纵,并观测到了里德堡强相互作用导致的非
线性现象。
进而在微小系综中,我们实现了里德堡阻塞和里德堡单激发态的相干操纵,
确定性地制备了里德堡态和基态的集体激发态。
进一步地,利用里德堡阻塞机制,我们在同一个冷原子系综中制备了两个基态集体激发态,并且利用受激拉曼跃迁实现了二者的Hong-Ou-Mandel干涉。
该结果不仅为确定性制备光与冷原子系综纠缠奠定了基础,也是单系综多量子比特编码研究的实验开端。
最后,我们利用两个集体激发态在里德堡阻塞机制下的动态演化、读出过程中的干涉效应,制备了极化自由度的光与原子纠缠。
该方案的内禀效率为50%,这与以往概率性纠缠产生方案相比提升了两个数量级,将在量子中继系统中有重要应用。
里德堡阻塞机制下的微小冷原子系综,结合了系综体系的集体增强优势和
单粒子体系的确定性态制备及操控优势,在量子信息处理应用方面拥有广阔前景。
我们相信,结合光晶格、腔增强技术的"里德堡型"量子中继器,是未来实现高效可用量子中继器的有力解决方案。