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。 Se<]g$eK?5  
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。 .) uUpY%K^