山西大学科研团队在单原子量子调控方面取得重要进展

近日，山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室张天才、李刚教授带领的腔量子电动力学研究团队在单原子的量子调控方面取得重要进展。该团队发现了由声子随机跃迁导致的光学偶极阱中单原子量子态退相干的新机制，并通过全面抑制原子退相干，将单个铯原子的相干时间提升到20秒。该相干时间是目前碱金属原子量子比特的最长记录。相关研究成果以“Extending the coherence time limit of a single-alkali-atom qubit by suppressing phonon-jumping-induced decoherence”为题，于2024年10月2日发表在Optica上。

量子比特的相干时间是量子信息技术最重要的基础参数之一。长的相干时间能够提高量子信息的存储时间、量子门的操控次数和操控精度，是衡量量子系统综合能力的重要指标。光学俘获的单原子系统是量子信息存储和处理的基本系统，如何消除各种退相干因素，提高该系统的相干时间，是科学家们面临的重要难题。张天才-李刚团队长期以来围绕该问题进行了系列研究。2019年该团队提出了一种全新的“三重魔术条件”(Triply magic conditions)方案，通过简并双光子跃迁的光频移补偿单光子跃迁的光频移，从而抑制光场频率、强度以及外部磁场等起伏对原子态的影响，能够大幅提高原子的相干时间[Phys. Rev. Lett. 123, 253602 (2019)]。2022年，该团队理论分析了光学阱中原子的运动，引入原子运动的量子态（原子振动的声子态），完整描述了光学阱中原子的波函数，以新的视角全面分析了光场噪声对原子相干性的影响[New J. Phys. 24 083028(2022)]，但实验上采用“魔术条件”获得的相干时间远低于理论估算。

图片:7ab1ccb3-f1a7-4b78-bf61-9c487ee2644e.jpeg

声子跳跃诱导退相干及20秒长相干时间示意图

在最新发表的工作中，该团队进一步引入光场噪声导致的原子振动声子态的随机跃迁，对原子量子态退相干机制进行了新的阐释。团队发现并实验验证了一种新的退相干机制，即“声子跳跃诱导的退相干”（Phonon-Jumping-Induced Decoherence, PJID）。实验上采用蓝失谐瓶子阱（Blue-detuned Bottle Trap）技术俘获单个原子，并利用边带拉曼冷却技术，将原子成功地冷却到三维运动基态[Opt. Lett. 49, 542 (2024)]，实现了铯原子内态能级起伏和声子跳跃诱导退相干的同时抑制。最终将单个铯原子量子态的相干寿命提高到20 秒。该相干时间是目前报道的光学阱中基于单个碱金属原子量子比特的最长记录。该项工作通过全面分析单原子量子态的退相干过程，深刻揭示了光学偶极阱中原子的退相干的物理机制，为延长单原子量子态的相干时间提供了新的可能，也为高精度相干操控光学捕获的原子或分子的量子态开辟了新的前景。

论文第一作者为我校光电研究所博士生田壮壮、共同第一作者为博士生常昊博和吕鑫，通讯作者为张天才教授和李刚教授。这项工作得到科技部重点研发计划项目、国家科技创新2030重大项目，国家自然科学基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室(山西大学)和省部共建极端光学协同创新中心(山西大学)的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.529577