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量子态转移的“高速通道”

2016-09-26

  在两个量子态之间实现布居数的高效率转移是量子调控的基本目标之一。而受激拉曼绝热通道正是实现这一目标的便利途径。

  受激拉曼绝热转移过程不但可避免自发辐射的影响,而且对控制参数的噪声具有极强的鲁棒性。因此,自1990年提出伊始,受激拉曼绝热通道便作为一项标准技术成功应用于物理、化学等诸多领域。在物理方面的代表性应用包括:频率转换、原子光学、腔量子电动力学、超冷分子制备、精密测量、量子计算等。

  受激拉曼绝热通道具有高保真度、强鲁棒性的根本原因在于绝热演化:在满足绝热条件的情况下,量子态沿本征态缓慢演化,从而有效避免在激发态的占据;同时转移效率由最后参数确定,与中间过程无关,从而对演化路径参数变化具有鲁棒性。绝热演化的美中不足在于绝热条件要求操作速度必须缓慢,这一限制成为其应用过程中的掣肘因素。

  针对这个问题,在Berry等人的超绝热、绝热补偿和绝热捷径等理论工作的基础上,华南师范大学颜辉教授课题组与上海大学、南京大学研究组合作提出了通过调制斯托克斯光和泵浦光波形的方法来抑制非绝热跃迁,从而实现对受激拉曼绝热通道的加速。其后,他们通力合作,在华南师范大学冷原子实验平台成功实验实现了该理论方案。这一研究成果发表在Nature Communications [7, 12479 (2016)]上。

图1 实验原理图:(a)冷原子实验系统原理图;(b)受激拉曼绝热通道原始脉冲波形;(c)受激拉曼超绝热通道调制脉冲波形

  在三能级系统中,利用反常规斯托克斯和泵浦光脉冲对(图1(b))可以实现常规的受激拉曼绝热通道技术,实现F=1和F=2这两个基态的布居数高效率的绝热转移。如果要求转移效率不低于99%,则操作时间T约要15倍于特征时间T0(特征时间T0为激光有效拉比频率的倒数)。

  而该研究工作新发展的受激拉曼超绝热通道技术则采用调制的脉冲波形(图1(c))。如此不但可以实现量子态高效率的转移,而且可以实现转移过程的加速。实验结果表明,在相同资源和保持鲁棒性前提下,这一方案可将受激拉曼绝热操控速度增快6倍,即操作时间约为特征时间的2倍,逼近了量子速度极限。在此基础上,该合作组进一步演示了对任意相干叠加态实现5次翻转,平均效率超过99%。

  这一研究发展了一种新型的受激拉曼超绝热通道技术,为实现任意量子态的高效、快速的操控奠定了基础。基于受激拉曼绝热通道技术已经在物理、化学等诸多领域体现出重大价值,新发展的受激拉曼超绝热通道技术也期望有广阔应用前景。

  论文链接:http://www.nature.com/ncomms/2016/160811/ncomms12479/full/ncomms12479.html