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武汉物数所构造新型魔幻光阱将单原子量子比特相干时间提高百倍

2016-09-27 09:27
夜隼008
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  近日,中国科学院武汉物理与数学研究所詹明生研究员领导的课题组实现了一种新型的魔幻光阱 -- 魔幻光强偶极阱,将囚禁在该微型光阱中的单个中性原子量子比特的相干时间延长上百倍,从毫秒量级提高至百毫秒量级。相关工作发表在《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett.117, 123201, 2016)上。

  囚禁在光阱中的单个中性原子及原子阵列是极具前途的量子信息处理与量子模拟的众多物理候选体系之一。中性原子体系与外部环境的耦合较之其它体系(如离子、NV色心、量子点、超导线路等)弱,利于大规模单原子阵列的制备。而要在大规模的中性原子寄存器中实现量子信息处理,其中一个关键的环节就是单量子比特的相干性在阵列的不同格点中转移时要能够很好地保持。通常,量子比特是编码在Rb原子的两个超精细能级的钟跃迁态中,超精细能级劈裂导致阱中原子上下能级的光频移不同,即产生微分光频移。在之前的实验中,微分光频移是引发单原子量子比特转移中相干性丢失的主要因素,通常的动力学退耦的方法也无济于事。这一难题极大地限制了大规模中性原子量子信息处理平台的实现与应用。

  研究组骨干何晓东副研究员与博士生杨佳恒等人利用单原子操控实验平台,在国际上首次测量了基态原子在矢量光场中的超极化率,接着通过控制矢量激光场和原子间微弱的相互作用,构造了单原子的魔幻光强偶极阱,有效地消除了有害的微分光频移。在该阱中,单量子比特的寿命从几毫秒提高到225毫秒。更为重要的是,他们成功地利用一个运动的魔幻阱将一个静止量子比特从另一个静止的魔幻阱中提取出来,变成移动比特,转移后送回到原处。通过测量运动量子比特的干涉条纹,发现量子比特的相干性并没有因为转移而丢失。该研究成果为下一步利用囚禁在光偶极阱阵列中的单原子构造可扩展的量子信息处理器奠定了基础。

  该研究得到了科技部国家重大科学研究计划“囚禁单原子(离子)与光耦合体系量子态的操控”、国家自然科学基金委基金和中科院“基于原子的精密测量物理”先导专项的资助。

  环型光晶格中单原子量子比特的转移

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