吴赛骏课题组在纳秒级旋量物质波量子操控技术方面取得重要进展
发布时间: 2022-09-28     文章作者:     访问次数: 365

原子是理想的量子传感器。为探测空间依赖势场,可以将冷原子相干分束至有相对位移的两条路径叠加传播,并积累相位差。此原子干涉思想不仅被广泛应用于引力传感,也在超冷原子量子模拟、离子阱量子计算等前沿被大量借鉴。此类技术的一个关键步骤是基于光力的物质波相干分束。由于光的衍射,光斑强度难以高度均匀,因此,光力对宏观原子样品的操控精度常有限,事实上限制了量子增强、大动量分束等重要原子干涉技术的发展。

吴赛骏课题组致力于发展皮秒-纳秒时间尺度上的冷原子内外态完美操控技术。在近期工作中,课题组发现上世纪90年代发展起来的拉曼物质波操控技术可以在非常规工作区间以近拉曼跃物质波调控速度极限的纳秒脉冲驱动,实现极高保真度的旋量物质波光子动量转移。相关工作近日以《基于纳秒脉冲自旋相关动量转移的旋量物质波操控》(“Spinor matterwave control with nanosecond spin-dependent kicks”)为题发表于物理评论期刊PRX Quantum杂志。论文的通讯作者是裘李阳同学和吴赛骏研究员。研究团队同时包括季灵晶,胡江勇,何亦尊和王玉琢同学。该项目数年来受到物理系及重点实验室,基金委面上项目,科技部重点研发计划的大力支持。

纳秒自旋相关动量转移技术是传统拉曼物质波操控技术的高速版,运行在常常被精密测量及量子计算研究领域避免的单光子失谐区间。该区间的高速物质波操控会产生原子的多能级激发,并常伴随调控相位的光强相关偏移,似乎并不适合用于二能级原子“自旋”波的高保真操控。然而在纳秒时间尺度上,冷原子的外态完全被冻结,控制动力学的复杂度被极大降低。课题组发现,看似复杂的原子内态多能级动力学可以用啁啾组合脉冲来精确控制,进而可在类碱金属超精细基态实现对多旋量物质波的高保真并行控制。实验组运用自行研发的宽带任意波形技术,在光学延迟线上以脉冲编程实现了保真度达97%的旋量物质波操控,并以计算模拟预测保真度高达99%以上的大动量转移物质波纳秒“相位门”。

论文链接:https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.040301

 课题组研究主页:https://ultracontrol.fudan.edu.cn/35746/list.htm

示意图:基于纳秒啁啾脉冲的多分量旋量物质波拉曼操控

当前,该类纳秒物质波操控新技术仍受限于实验室激光功率,仅可被用来调控数十微米大小的“介观”原子样品并用于发展超冷原子/离子的新型测量和量子模拟技术等。该技术对大原子样品调控的实用化将依赖于高宽带、大功率任意调制脉冲激光技术的进一步发展 – 正是课题组的重要研究方向之一。高速和高精度的自旋相关动量转移技术是基于大光子动量转移物质波引力传感的技术关键,并可支持原子样品自旋纠缠的高保真轨道转移,在基于自旋压缩的量子增强原子干涉技术中有重要应用前景。



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