受限空間中光與超冷原子分子量子態(tài)的調(diào)控及其應(yīng)用

1、項(xiàng)目名稱項(xiàng)目名稱首席科學(xué)家起止年限依托部門受限空間中光與超冷原子分子量子態(tài)的調(diào)控及其應(yīng)用賈鎖堂 山西大學(xué)2012.1 至 2016.8山西省科技廳一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題：超冷原子分子作為一種理想的介質(zhì)已經(jīng)被廣泛用于物質(zhì)與場的相互作用，原 子/分子量子態(tài)是精密光譜、量子信息以及超高靈敏測量的重要量子資源。 為實(shí) 現(xiàn)受限空間中光場與超冷原子分子相互作用所產(chǎn)生的新型量子態(tài)的操控與應(yīng)用， 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題如下：1）在超冷條件下，從單原子到原子系綜的量子態(tài)（包括糾纏態(tài)、相干疊加 態(tài)、自旋壓縮態(tài)等）制備和操控的新原理、新方法。中性原子的冷卻及長時間的 有效控制；偶極阱中單粒子的

2、高效裝載以及在特定環(huán)境（如微光學(xué)阱、微腔）中 單粒子的外態(tài)和內(nèi)態(tài)的控制；基于冷原子系綜的自旋壓縮態(tài)制備和應(yīng)用及量子非 破壞性測量；失諧偶極光阱，制備高密度超低溫冷原子團(tuán)；利用量子非破壞性測 量并實(shí)現(xiàn)冷原子自旋壓縮態(tài)、冷原子自旋壓縮、量子 Fisher 信息及量子關(guān)聯(lián)。2）受限空間中光與原子/分子相互作用（包括強(qiáng)耦合）的物理實(shí)現(xiàn)及其新奇 量子效應(yīng)。微型光學(xué)阱和微光學(xué)腔的構(gòu)建和控制的新方法；基于強(qiáng)耦合真空受激 拉曼絕熱輸運(yùn)過程的量子態(tài)的制備；耗散過程對量子態(tài)制備和操控的影響以及克 服退相干的新途徑；極化費(fèi)米子超流體系、玻色-費(fèi)米混合體系、組錯晶格的相 互作用與玻色體系等的新奇量子態(tài); BCS-BE

3、C 渡越的物理機(jī)制。3）超冷極性分子量子氣體的高效制備和分子量子態(tài)操控的新機(jī)制。超冷極 性分子及相干疊加態(tài)和糾纏態(tài)的制備；利用外場有效調(diào)控極性分子之間的偶極 偶極相互作用以及超冷極性分子與單光子的強(qiáng)耦合作用；實(shí)現(xiàn)高保真度的量子信 息存儲以及精密光譜測量。4）精密光譜、量子計量、量子測量（包括量子非破壞性測量等）和量子信息 中的新原理和新技術(shù)。發(fā)展基于噪聲微擾的新型精密光譜方法，進(jìn)行原子系統(tǒng)中 磁場的精密測量；基于光腔和電磁誘導(dǎo)透明（EIT ）聯(lián)合作用以及冷原子系綜的 自旋壓縮態(tài)的制備，實(shí)現(xiàn)突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的精密測量，提高量子計量中參數(shù)估 計的精度；進(jìn)行超冷極性分子的超高分辨光譜測量，利用分子糾

4、纏態(tài)實(shí)現(xiàn)量子邏 輯門；利用受限空間中光與原子分子強(qiáng)耦合相互作用產(chǎn)生的新型量子態(tài)，實(shí)現(xiàn)原 子的量子寄存、可控單光子源以及量子節(jié)點(diǎn)。研究內(nèi)容：微型光阱和微光學(xué)腔中原子內(nèi)外態(tài)的完全控制方法，光與原子強(qiáng)耦合作 用下量子態(tài)的操控及克服退相干的新機(jī)制。研究在微光學(xué)阱和微光學(xué)腔中確定數(shù) 目原子的冷卻、光學(xué)俘獲以及相干控制。研究光與原子強(qiáng)耦合相互作用的實(shí)現(xiàn)途 徑以及該體系中量子態(tài)的制備、操控及退相干的物理機(jī)制。利用多原子與陣列腔 的強(qiáng)耦合，研究可抑制退相干的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多原子量子態(tài)控制的方案；研究受限 空間中少量原子與光子相互作用中的非經(jīng)典效應(yīng)。超冷原子系綜自旋壓縮態(tài)和糾纏態(tài)的制備及物理機(jī)制，利用量子非破壞 性

5、測量，在偶極光阱中實(shí)現(xiàn)高密度冷原子系綜的自旋壓縮態(tài)，量子態(tài)經(jīng)典探測方 法的噪聲機(jī)制以及噪聲極限研究，原子壓縮態(tài)的產(chǎn)生及探測。理論上研究冷原子 自旋壓縮態(tài)與量子Fisher信息。研究如何給出數(shù)值上容易計算且實(shí)驗(yàn)上容易測量 的糾纏量度或糾纏目擊者。利用量子非破壞性測量實(shí)現(xiàn)冷原子自旋壓縮態(tài)，進(jìn)一 步研究量子非破壞性測量在高精度測量和冷原子光鐘中的應(yīng)用。超冷極性分子量子氣體以及振轉(zhuǎn)冷卻的基態(tài)極性分子的制備，光晶格中 極性單分子的實(shí)現(xiàn)以及分子糾纏態(tài)的相干操控?；鶓B(tài)超冷極性分子的高效制備的 新機(jī)制，原子-分子轉(zhuǎn)換的非線性系統(tǒng)內(nèi)在的多體動力學(xué)與操控。極性分子系綜 的偶極偶極相互作用以及與光場強(qiáng)耦合作用下產(chǎn)生

6、的新奇量子態(tài)及其調(diào)控。超 冷里德堡分子的長程相互作用。超冷極性分子量子態(tài)與單光子量子態(tài)之間的演化 特性，實(shí)現(xiàn)高保真度的量子信息存儲。光學(xué)晶格中超冷原子分子體系的關(guān)聯(lián)效應(yīng)及新奇量子態(tài)的物性，極化費(fèi) 米子超流體系中FFL 0態(tài)實(shí)現(xiàn)的理論方案。研究在相互作用玻色體系以及玻色-費(fèi) 米混合體系中新奇量子態(tài)，BCS-BEC渡越的物理模型并進(jìn)行非微擾的理論處理， 將經(jīng)典波動中的若干現(xiàn)象拓展到物質(zhì)波領(lǐng)域從而實(shí)現(xiàn)將冷原子領(lǐng)域中的新奇現(xiàn) 象在水波實(shí)驗(yàn)中加以展示，基于關(guān)聯(lián)效應(yīng)及新奇量子態(tài)的新型精密原子光譜與量 子測量技術(shù)。量子態(tài)在精密光譜測量、量子計量、量子測量和量子信息中的應(yīng)用。利 用受限空間中光與原子分子強(qiáng)耦合

7、相互作用產(chǎn)生的新型量子態(tài)(包括光場非經(jīng)典 態(tài)、原子/分子相干疊加態(tài)、原子/分子糾纏態(tài)、原子系綜自旋壓縮態(tài)等)，提高 量子計量中參數(shù)估計的精度，發(fā)展突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的精密測量、基于噪聲微擾 的新型精密光譜以及分子超高分辨光譜的新原理、新技術(shù)，制備新型量子信息器 件，如量子寄存器、可控單光子源、分子量子邏輯門等。二、預(yù)期目標(biāo)1. 總體目標(biāo)：針對國內(nèi)外原子分子物理及量子光學(xué)迅速發(fā)展的趨勢，根據(jù)國家重大科學(xué)研 究計劃-“量子調(diào)控”的指南方向“受限空間中光與超冷原子（離子）、分子耦合 量子態(tài)的制備、測量及調(diào)控” 的核心內(nèi)容，本項(xiàng)目匯集我國原子分子物理和量子 光學(xué)研究方面的優(yōu)勢力量，面向國家中長期科學(xué)發(fā)展

8、的戰(zhàn)略目標(biāo)，在已有的若干 超冷原子分子實(shí)驗(yàn)平臺的基礎(chǔ)上，通過對受限空間中光與原子分子相互作用系統(tǒng) 的研究，發(fā)展新的量子調(diào)控手段和測量技術(shù)，在光與原子/分子系統(tǒng)量子態(tài)的操 控與應(yīng)用方面取得重大突破，提高我國在冷原子分子研究方面的整體水平，促進(jìn) 其與量子光學(xué)的進(jìn)一步融合，獲取量子態(tài)操控和應(yīng)用的核心技術(shù)，為解決我國在 量子信息關(guān)鍵器件、精密光譜以及超高靈敏測量中的重大需求奠定科學(xué)基礎(chǔ)并提 供技術(shù)儲備。通過項(xiàng)目的執(zhí)行，形成一支具有開拓創(chuàng)新精神和國際競爭力的高水平研究隊(duì) 伍，建立在學(xué)術(shù)上具有重要國際影響的科研基地，提升我國在原子分子前沿研究 領(lǐng)域的水平。預(yù)計發(fā)表高水平論文100 篇以上，申請獲得國家發(fā)明

9、專利10項(xiàng)以上， 培養(yǎng)30名以上優(yōu)秀人才，并組織若干次高水平的學(xué)術(shù)會議。2. 五年預(yù)期目標(biāo)：1）改造與升級現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究平臺，掌握在受限空間中制備超冷原子分子量 子態(tài)的核心技術(shù)和方法。2）掌握基于激光冷卻與俘獲的單原子制備及高靈敏檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光與單個 原子的強(qiáng)耦合（臨界光子數(shù)達(dá)到 0.1 以下），實(shí)現(xiàn)單原子外態(tài)及內(nèi)態(tài)的完全 控制以及原子相干疊加態(tài)的高效率高保真制備。3）采用雙光子受激 Raman 絕熱操控方案實(shí)現(xiàn)單原子的可控 Rabi 振蕩，實(shí)現(xiàn)原 子-光子的量子糾纏，利用原子與單個腔場或耦合陣列微腔的強(qiáng)耦合，提出有效克服消相干的新方案，利用原子的相干疊加態(tài)完成量子可控門。制備超冷極性分子量

10、子氣體，通過調(diào)控分子間偶極 偶極相互作用，實(shí)現(xiàn) 退相干時間長的可控多通道量子信息存儲和提取。在光晶格中制備超冷極性單分子和分子糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)微波光子與單極性分 子的強(qiáng)耦合，測量轉(zhuǎn)動態(tài)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜，利用分子糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)量子邏 輯門和量子計算。理論上在相互作用的玻色-費(fèi)密混合系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動的旋量玻色子超流態(tài)以及玻 色-費(fèi)米混合系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)若干新奇量子態(tài)。建立超冷費(fèi)米原子凝聚體在Feshbach共振區(qū)的物理模型，解釋強(qiáng)相互作用 體系的相圖和贗能隙特性，發(fā)展處理超冷原子多體問題的新途徑。實(shí)現(xiàn)超冷原子量子態(tài)突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的非破壞性測量 。利用量子非破壞 性測量以及光腔和 EIT 聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)冷原子自旋壓縮

11、態(tài)。理論上給出高自旋真正多體糾纏,關(guān)聯(lián)和自旋壓縮的定量關(guān)系，以及實(shí)驗(yàn)上 容易測量的且基于自旋不等式的糾纏量度或糾纏目擊者。預(yù)計發(fā)表高水平論文 100 篇以上，申請獲得國家發(fā)明專利 10項(xiàng)以上，培養(yǎng) 30 名以上優(yōu)秀人才。三、研究方案（一）學(xué)術(shù)思路、技術(shù)途徑學(xué)術(shù)思路：以受限空間中光與超冷原子分子相互作用為核心，利用已建立 的實(shí)驗(yàn)平臺和取得的進(jìn)展，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光場與超冷原子分子的相互 作用，以高保真、相干性良好的量子態(tài)的制備和應(yīng)用為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)從單原子分子 到原子分子系綜外部和內(nèi)部狀態(tài)的操控，獲得光場非經(jīng)典態(tài)、原子 /分子相干疊 加態(tài)、糾纏態(tài)、原子系綜自旋壓縮態(tài)等多種量子態(tài)，把量子態(tài)應(yīng)用到

12、精密光譜測 量、量子計量、量子測量和量子信息中，使現(xiàn)有冷原子分子的量子調(diào)控和應(yīng)用提 高到一個全新的水平。技術(shù)途徑：在微光學(xué)阱、微光學(xué)腔、光學(xué)晶格、電勢阱等受限空間中，通過對光與超 冷原子分子相互作用系統(tǒng)的調(diào)控，制備多種量子態(tài)，并實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。具體技術(shù)路 線如下：1）基于微型光學(xué)阱系統(tǒng)的技術(shù)路線:1.1）在已建立冷原子磁光阱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過分析影響原子裝載率的物 理機(jī)制，將磁光阱的參數(shù)拓展到特殊條件下，以顯著降低原子的裝載率，達(dá)到制 備單原子的目的；1.2）分析影響單原子熒光信號信噪比的物理因素，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，設(shè)計高 效的單原子熒光收集系統(tǒng)，掌握單原子探測和識別技術(shù)；1.3）采用遠(yuǎn)失諧波長的高斯

13、激光束構(gòu)建微型偶極阱，實(shí)現(xiàn)對單原子俘獲， 顯著減弱由于自發(fā)輻射導(dǎo)致的退相干；1.4）采用超精細(xì)態(tài)和Zeeman態(tài)光抽運(yùn)，實(shí)現(xiàn)初態(tài)制備，采用態(tài)選擇熒光探 測識別單原子量子態(tài)，借助于雙光子Rama n絕熱輸運(yùn)方案研究單原子可控Rab i振 蕩。2）基于微光學(xué)腔的技術(shù)路線：2.1）以現(xiàn)有的銫原子磁光阱為研究對象，采用藍(lán)光誘導(dǎo)的原子解吸附技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)磁光阱中原子數(shù)目和裝載的有效控制；2.2）采用兩套方案實(shí)現(xiàn)原子的輸運(yùn)以及單原子的控制： （1） 利用雙色遠(yuǎn)失 諧光學(xué)阱（FORT ）構(gòu)建原子傳送帶，通過控制FORT光的頻率實(shí)現(xiàn)對單個原子的 輸運(yùn)。（2） 直接在腔內(nèi)構(gòu)建微光學(xué)阱俘獲單個原子；）微光學(xué)腔方面，

14、利用“超鏡” （super-mirror）組成長短不同的微光學(xué)腔，在保證耦合強(qiáng)度能夠達(dá)到強(qiáng)耦合的條件下，盡可能增大腔的長度；）腔的控制方面將采用PDH方法，實(shí)現(xiàn)不同光場在腔內(nèi)的共振或者特定 失諧；）原子內(nèi)態(tài)的制備方面，利用真空STIRAP過程實(shí)現(xiàn)原子態(tài)的制備，Raman 過程能有效避開原子激發(fā)態(tài)的參與從而可以獲得較長的相干時間，為光子和原子 量子態(tài)的制備、轉(zhuǎn)移、映射以及后續(xù)測量等奠定基礎(chǔ)；2.6）強(qiáng)耦合以及量子態(tài)的測量采用單光子探測器測量微光學(xué)腔泄漏的光子完成，主要采用單光子探測和多光子關(guān)聯(lián)測量等手段。3）基于超冷極性分子系統(tǒng)的技術(shù)路線：3.1）用光締合和Raman共振轉(zhuǎn)移的方法，制備振轉(zhuǎn)量子

15、數(shù)為零，溫度100yk 左右的基態(tài)冷極性分子；3.2）使用大失諧的光學(xué)阱囚禁超冷分子，然后使用光學(xué)蒸發(fā)冷卻，制備1吐 左右的極性分子量子氣體。在此基礎(chǔ)上使用光格子，制備單極性分子量子疊加態(tài) 與分子糾纏態(tài)；3.3）通過外電場對極性分子量子態(tài)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)單光子量子態(tài)的信息存 儲和提取，通過外場操控分子糾纏態(tài)，獲得分子量子邏輯門；3.4 ）利用雙光子激發(fā)獲得n里德堡原子，由基態(tài)原子和里德堡原子在一定 對稱性勢阱中形成里德堡分子；3.5）利用外加電場調(diào)控里德堡原子間的偶極相互作用 ,研究偶極阻塞效應(yīng), 通過里德堡原子分子的阻塞效應(yīng)實(shí)現(xiàn)可控量子邏輯門。4）基于冷原子系綜的技術(shù)路線：4.1）在現(xiàn)有的銣冷

16、原子平臺基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)銣原子在遠(yuǎn)失諧光學(xué)偶極阱中的 囚禁；4.2）通過各種降噪措施,例如對超冷原子裝臵采取特殊隔振，對真空系統(tǒng) 應(yīng)用高效磁屏蔽，研制低噪聲激光器，抑制環(huán)境噪聲等方法,實(shí)現(xiàn)冷原子態(tài)的標(biāo) 準(zhǔn)量子極限探測；4.3）通過遠(yuǎn)失諧激光和冷原子系綜相互作用和光學(xué)干涉鑒相手段，探測冷 原子系綜，實(shí)現(xiàn)突破量子極限的非破壞性測量；4.4 ）通過量子態(tài)的非破壞性測量方法或者基于光腔和EIT聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)自 旋壓縮態(tài)制備；4.5）在理論上，采用量子控制技術(shù)（如量子淬火等）進(jìn)行長時間的保持量 子態(tài)的自旋壓縮特性的研究；利用合適的糾纏度量，進(jìn)行高自旋中壓縮和糾纏的 定量關(guān)系的研究。5）研究關(guān)聯(lián)效應(yīng)及新奇量子態(tài)

17、的技術(shù)路線 : 集成運(yùn)用多種理論與數(shù)值方法開展研究并提供經(jīng)典波動體系的演示。理論上 采用自洽平均場方法、Ginzburg-Laudau方法和新型Duality場論方法，數(shù)值上采用 嚴(yán)格對角化、Bethe Ansatz、泛函積分方法、量子蒙特卡洛、有限時域差分方法 以及有限元法等多種成熟方法深入進(jìn)行研究。（二）本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)與特色1）自行設(shè)計并建立具有特色的強(qiáng)耦合C-QED系統(tǒng)，利用耦合陣列微腔的真空 場誘導(dǎo)不同腔中原子間的關(guān)聯(lián)有效克服退相干，實(shí)現(xiàn)空間分離的多原子之間的糾 纏的突破。2）利用量子非破壞性測量新技術(shù)獲得自旋壓縮態(tài)，使冷原子系綜的量子漲 落超越經(jīng)典量子極限。將冷原子自旋糾纏態(tài)應(yīng)用到量

18、子計量方面取得重要突破。3）通過外場調(diào)控光學(xué)晶格中極性分子間的偶極-偶極相互作用,實(shí)現(xiàn)超冷分 子糾纏態(tài)的量子操控和量子邏輯門，在實(shí)現(xiàn)單光子態(tài)在超冷極性分子量子氣體中 的信息存儲方面取得突破。4）集成運(yùn)用包括新型對偶場論方法等多種解析與數(shù)值方法，與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié) 合，為獲得多種新奇量子態(tài)提供重要的理論依據(jù)。（三）可行性分析本項(xiàng)目的研究方案是在充分調(diào)研國內(nèi)外的研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上提出的。項(xiàng)目將 利用已有的實(shí)驗(yàn)平臺和研究基礎(chǔ)開展受限空間中光與超冷原子分子的相互作用 的研究，制備和操控多種新型量子態(tài)，并把這些量子態(tài)應(yīng)用于精密光譜測量、量 子計量、量子測量和量子信息等方面。本項(xiàng)目各個課題組在超冷原子分子物理和量

19、子光學(xué)等研究方面都取得了突 出的成績，具備了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)，都曾主持和參與了前期“量子調(diào)控”的重大科 學(xué)研究計劃項(xiàng)目、國家杰出青年基金項(xiàng)目以及國家基金重點(diǎn)項(xiàng)目，形成了一支高 水平的研究隊(duì)伍，具備承擔(dān)和完成國家重大任務(wù)的水平和能力。綜上分析，本項(xiàng)目方案切實(shí)可行、目標(biāo)明確、技術(shù)路線清楚，隊(duì)伍實(shí)力雄厚， 完全可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。（四）課題設(shè)臵課題1：單原子與光場強(qiáng)耦合系統(tǒng)中量子態(tài)的制備和操控研究目標(biāo)：1）掌握基于激光冷卻與俘獲原子獲得單原子制備及高靈敏檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光與單個原子的強(qiáng)耦合（臨界光子數(shù)達(dá)到0.1 以下）;在此基礎(chǔ)上實(shí) 現(xiàn)單原子外態(tài)及內(nèi)態(tài)的完全控制以及原子相干疊加態(tài)的高效率、高保 真制備；2

20、）采用雙光子受激 Raman 絕熱操控方案實(shí)現(xiàn)單原子的可控 Rabi 振蕩； 建立遠(yuǎn)離共振的光學(xué)偶極阱，實(shí)現(xiàn)單原子的確定性控制和輸運(yùn)；實(shí)現(xiàn) 原子-光子的量子糾纏；利用原子與單個腔場或耦合陣列微腔的強(qiáng)耦 合，提出有效克服退相干的新方案。研究內(nèi)容：1）基于激光冷卻與俘獲研究在微型光阱和微光學(xué)腔中少數(shù)及單原子的長時 間控制、高靈敏檢測；2）確定性單原子輸運(yùn)以及微光學(xué)腔少數(shù)原子和單原子的 冷卻與空間位臵的控制；3）研究實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合以及可控耦合強(qiáng)度的新途徑；4）基 于STIRAP等過程實(shí)現(xiàn)原子相干疊加態(tài)的制備，相干操控和非經(jīng)典態(tài)的產(chǎn)生；5） 原子-腔糾纏、原子-原子糾纏的產(chǎn)生以及量子態(tài)的映射，原子之間糾纏

21、的演化以 及退相干的影響； 6）利用多原子與耦合陣列微腔的強(qiáng)耦合，通過選擇合適的失 諧、耦合強(qiáng)度及原子能級結(jié)構(gòu)，提出可抑制退相干的有效方案，以實(shí)現(xiàn)處于不同 腔中原子之間的量子態(tài)操控方案；7）探討原子自發(fā)輻射及光子泄漏的連續(xù)探測 對原子與耦合陣列微腔系統(tǒng)量子態(tài)演化的影響及對退相干的抑制，優(yōu)化參數(shù)及能 級結(jié)構(gòu)，減少耗散導(dǎo)致的退相干效應(yīng)。經(jīng)費(fèi)比例：24% 承擔(dān)單位：山西大學(xué)、福州大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人：張?zhí)觳?教授（山西大學(xué)） 學(xué)術(shù)骨干：王軍民 教授（山西大學(xué)），鄭仕標(biāo) 教授（福州大學(xué)），李剛 副教授 （山西大學(xué)）課題 2名稱：基于冷原子的自旋壓縮態(tài)產(chǎn)生和應(yīng)用及量子非破壞性測量 研究目標(biāo)：1） 實(shí)現(xiàn)超冷原

22、子量子態(tài)突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的非破壞性測量，利用量子非 破壞性測量或者光腔和EIT聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)冷原子自旋壓縮態(tài)。2） 研究高自旋真正多體糾纏、關(guān)聯(lián)和自旋壓縮的定量關(guān)系，以及實(shí)驗(yàn)上 容易測量的且基于自旋不等式的糾纏量度或糾纏目擊者。研究內(nèi)容：1） 為獲得冷原子自旋壓縮態(tài)，將磁光阱中束縛的原子冷卻到亞多普勒溫度； 通過遠(yuǎn)失諧偶極光阱，獲得高密度的冷原子系綜；研究在遠(yuǎn)失諧偶極光阱中原子 數(shù)目,原子密度、囚禁時間,原子溫度和各種物理參數(shù)的關(guān)系。 2） 研究冷原子和遠(yuǎn) 失諧激光的相互作用機(jī)制, 通過觀測原子系綜對遠(yuǎn)失諧激光的相移改變實(shí)現(xiàn)原 子布居數(shù)的非破壞性探測,研究實(shí)驗(yàn)中各種噪聲機(jī)理,實(shí)現(xiàn)突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限

23、的探 測。 3） 理論上研究冷原子自旋壓縮態(tài)、量子 Fisher 信息和量子關(guān)聯(lián)的關(guān)系問題。 冷原子系統(tǒng)是一個多體自旋系統(tǒng)。量化研究高自旋真正多體糾纏和關(guān)聯(lián)。研究如 何給出數(shù)值上容易計算且實(shí)驗(yàn)上容易測量的糾纏量度或糾纏目擊者。 4） 利用量 子非破壞性測量實(shí)現(xiàn)冷原子自旋壓縮態(tài)，進(jìn)一步研究量子非破壞性測量在高精度 測量和量子計量中的及其在冷原子光鐘中的應(yīng)用。經(jīng)費(fèi)比例：24% 承擔(dān)單位：浙江大學(xué)，華中師范大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人：王曉光（浙江大學(xué)） 學(xué)術(shù)骨干: 陸璇輝教授（浙江大學(xué)），李高翔教授（華中師范大學(xué)），王立剛副 教授（浙江大學(xué)），黃凱凱講師（浙江大學(xué)）課題 3：超冷極性分子的量子操控及應(yīng)用預(yù)期目

24、標(biāo)：1） 基于超冷異核極性分子及里德堡分子制備分子糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)量子邏輯 門。制備超冷極性單分子，實(shí)現(xiàn)微波光子與單極性分子的強(qiáng)耦合，制備 超冷極性分子的相干疊加態(tài)和糾纏態(tài)。2） 利用電勢場調(diào)控分子間偶極偶極相互作用，增強(qiáng)非經(jīng)典光場與超冷極 性分子系綜的強(qiáng)耦合相互作用，獲得超高分辨的分子精密光譜，實(shí)現(xiàn)退 相干時間長的可控多通道量子信息存儲。研究內(nèi)容：1）通過 Feshbach 共振增強(qiáng)光締合技術(shù)與受控 Raman 光締合技術(shù)制備基態(tài) 超冷極性 RbCs 分子；寬帶飛秒激光光學(xué)泵浦產(chǎn)生基態(tài)分子的量子氣體。利用飛 秒光梳測量超冷極性分子的高分辨光譜。2）由低角動量里德堡原子和基態(tài)原子 形成制備超冷極性

25、長程里德堡分子，研究里德堡分子的長程勢能和相互作用的動 力學(xué)特性。3）研究超冷極性分子在外場作用和不同取向排列下的非線性效應(yīng)。 在參數(shù)空間里通過絕熱演化構(gòu)造可控的人造規(guī)范矢場，實(shí)現(xiàn)極性分子高效率轉(zhuǎn)換 并探索新的物理過程或現(xiàn)象。4）通過精確控制超冷極性分子的內(nèi)態(tài)（電子態(tài)、 振動態(tài)、轉(zhuǎn)動態(tài)及核自旋等），研究分子間的散射和碰撞，提高非經(jīng)典光場與超 冷極性分子系綜的強(qiáng)耦合相互作用。5）研究三體相互作用的極性分子在量子化 光格子中的基態(tài)能量與量子相變；分析不同相中三體相互作用對光格子中極性分 子輸運(yùn)的影響；進(jìn)而構(gòu)造分子芯片等相應(yīng)的量子器件。6）在絕熱條件下利用外 電場操控極性分子系綜，分析偶極-偶極相互

26、作用對基態(tài)波函數(shù)的影響，研究一 級陳數(shù)與極性分子布居數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系并用于實(shí)現(xiàn)高保真度的量子信息存儲。7） 制備超冷極性分子的相干疊加態(tài)和糾纏態(tài)，通過單光子與超冷極性分子的強(qiáng)耦合 實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的轉(zhuǎn)換與信息存儲，實(shí)現(xiàn)高保真度的量子信息處理。經(jīng)費(fèi)比例：28%承擔(dān)單位：山西大學(xué), 北京計算科學(xué)中心課題負(fù)責(zé)人：賈鎖堂 （山西大學(xué)，推薦的項(xiàng)目首席科學(xué)家）學(xué)術(shù)骨干：肖連團(tuán)教授（山西大學(xué)），趙建明副教授（山西大學(xué)），趙延霆副教 授（山西大學(xué)），陳剛副教授（山西大學(xué)），朱詩堯教授（北京計算科學(xué)中心）課題4 ：光晶格中超冷原子分子體系的關(guān)聯(lián)效應(yīng)及新奇量子態(tài)研究研究目標(biāo)：1） 理論上在相互作用的玻色-費(fèi)密混合系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動

27、的旋量玻色子超流態(tài) 以及玻色-費(fèi)米混合系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)若干新奇量子態(tài)。2） 建立超冷費(fèi)米原子凝聚體在 Feshbach 共振區(qū)的物理模型，解釋強(qiáng)相 互作用體系的相圖和贗能隙特性，發(fā)展處理超冷原子多體問題的新途 徑。研究內(nèi)容：1）費(fèi)密子超流體系中存在穩(wěn)定FFLO態(tài)的可能性，分析該體系中的渦旋狀態(tài)， 設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案用以驗(yàn)證理論預(yù)言。研究玻色-費(fèi)密混合系統(tǒng)中考慮玻色-玻色,費(fèi)密 -費(fèi)密以及玻色-費(fèi)密互作用所可能產(chǎn)生的新奇量子態(tài)。研究旋量玻色及玻色-費(fèi)密 混合系統(tǒng)中存在穩(wěn)定半量子磁通渦旋的可能性及實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎愕姆桨浮? ）發(fā)展新理論及方法（如三維超流相的嚴(yán)格解模型），研究BCS-BEC渡越的微觀 理論（

28、特別是揭示贗能隙的物理本質(zhì)）。采用推廣的 Ginzberg-Landau 方程探討超 流相的渦旋格子周期解和阻尼的物理根源。探索有限體量子統(tǒng)計理論。3）實(shí)現(xiàn)物質(zhì)波的隱身現(xiàn)象以及超強(qiáng)透射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方案。理論探討物質(zhì)波單向 傳輸以及物質(zhì)波遠(yuǎn)程隱身的實(shí)現(xiàn)途徑。實(shí)驗(yàn)展示在水波等經(jīng)典波中類 EIT 現(xiàn)象。4）研究精密光譜方法的理論和在 EIT 體系的初步實(shí)現(xiàn)，并將該方法推廣至一般 性系統(tǒng)。研究矢量磁場和交變磁場實(shí)現(xiàn)的方法和技術(shù)。經(jīng)費(fèi)比例：24% 承擔(dān)單位：復(fù)旦大學(xué)，華中師范大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 陳焱教授（復(fù)旦大學(xué)） 學(xué)術(shù)骨干： 馬永利教授（復(fù)旦大學(xué)）、胡新華研究員（復(fù)旦大學(xué)）、肖艷紅研 究員（復(fù)旦大學(xué)），

29、胡響明教授（華中師范大學(xué)）（五）課題設(shè)臵與課題間關(guān)系項(xiàng)目根據(jù)擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題、主要研究內(nèi)容和研究目標(biāo)，設(shè)臵四個課題： 1） 單原子與光場強(qiáng)耦合系統(tǒng)中量子態(tài)的制備和操控；2） 基于冷原子的自旋壓縮 態(tài)產(chǎn)生和應(yīng)用及量子非破壞性測量；3） 超冷極性分子的量子操控及應(yīng)用； 4） 超 冷原子分子體系中的關(guān)聯(lián)效應(yīng)及新奇量子態(tài)研究。四個課題圍繞共同目標(biāo)，采用不同的技術(shù)路線和各自的側(cè)重面開展研究。各 課題具有密切聯(lián)系，形成了相互促進(jìn)和相互依賴的關(guān)系，可以用下面的結(jié)構(gòu)圖表 示。所有課題都圍繞實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的制備和應(yīng)用的總體目標(biāo)，采用不同但相互聯(lián) 系的方案開展研究工作。課題1完成微光學(xué)阱和微光學(xué)腔中單原子的控制，

30、實(shí)現(xiàn) 強(qiáng)耦合和量子態(tài)的制備和應(yīng)用；課題2研究冷原子系綜產(chǎn)生自旋壓縮態(tài)，并應(yīng)用 到量子測量和量子計量學(xué)中；課題3研究受限空間中超冷極性分子的制備，分子 糾纏態(tài)的產(chǎn)生和操控，并應(yīng)用到量子信息和精密光譜測量中；課題4研究光晶格 中超冷原子分子體系的關(guān)聯(lián)效應(yīng)及新奇量子態(tài)。課題 1 中（單原子操控）和課題 2中（冷原子系綜操控）為課題 3中的超冷 分子制備提供基礎(chǔ)；課題1 中的光學(xué)阱和光學(xué)腔為課題 2 和 3中原子分子在受限 空間中的強(qiáng)耦合提供技術(shù)支持。課題 2為課題 1和課題 3 中的測量提供新的測量 方法。課題4為課題 1，2，3提供各方面的理論支持。所有課題各具特色，服務(wù) 于整體目標(biāo)，形成相互支持

31、的有機(jī)整體，最終實(shí)現(xiàn)基于光與超冷原子分子量子態(tài) 的制備和應(yīng)用，完成五年的既定任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)。四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第年研究在微光學(xué)阱和微光學(xué)腔中確 定數(shù)目原子的冷卻、光學(xué)俘獲以及確 定性相干控制。超冷極性分子的振轉(zhuǎn)冷卻以及基 態(tài)極性分子的制備，原子-分子轉(zhuǎn)換 的非線性系統(tǒng)的多體動力學(xué)與操控。理論研究準(zhǔn)一維超冷費(fèi)米原子系 統(tǒng)在BCS-BEC渡越區(qū)的基態(tài)和激發(fā) 態(tài)的基本性質(zhì)。在二維光晶格中費(fèi)米 子配對形成的奇異超流態(tài)FFLO態(tài)。研究制備超冷原子系綜自旋壓縮 態(tài)的物理機(jī)制。改造與升級現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究平 臺，完成單個原子與腔的強(qiáng)耦合，臨界光子數(shù)達(dá)到0.1以下；實(shí)現(xiàn)超 冷極性RbCs分子的有效振轉(zhuǎn)冷

32、卻， 超冷極性分子溫度低于100 uk壽命 達(dá)到1秒。發(fā)展新的精確、高效的理論和方 法，獲得低維強(qiáng)相互作用體系的嚴(yán) 格解，以及BCS-BEC渡越區(qū)渦旋格 子與相互作用強(qiáng)度的關(guān)系。建立渦旋格子理論，提出產(chǎn)生和 存儲量子自旋壓縮的優(yōu)化方案。第年研究光學(xué)偶極阱中單原子系統(tǒng) 的相干操控的物理實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)。 提出基于非幺正動力學(xué)及絕熱演化 的原子糾纏態(tài)制備方案。研究提高超冷極性分子產(chǎn)率的 新方法；由低角動量nl (l2)里德 堡原子和基態(tài)原子形成超冷極性長 程里德堡分子;利用飛秒光梳測量超 冷極性分子的高分辨光譜。理論上研究非線性哈密頓系統(tǒng) 中量子Fisher信息的特性。分析光 學(xué)晶格中FFLO態(tài)的新

33、奇渦旋狀態(tài)。完成受激拉曼絕熱輸運(yùn)過程操 控原子內(nèi)態(tài)；完成微型光學(xué)偶極阱 中單原子內(nèi)態(tài)的初始化、相干疊加 態(tài)的制備及探測。密集基態(tài)超冷極性RbCs分子產(chǎn) 率達(dá)到107/cm3，實(shí)驗(yàn)獲得長程超冷 極性里德堡分子，分子光譜分辨率 達(dá)到kHz量級。3-理論上獲得新的突破超海森堡 極限的量子多原子態(tài)。掌握FFLO態(tài) 渦旋狀態(tài)的特性及玻色子體系所具 有的奇異量子態(tài)。研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第年研究原子內(nèi)態(tài)確定性操控技術(shù)； 研究光學(xué)偶極阱中單原子系統(tǒng)的退 相干物理機(jī)制;研究多原子與耦合陣 列微腔及經(jīng)典場的強(qiáng)耦合。在光格子中控制超冷極性分子 的內(nèi)態(tài)，研究分子間的散射和碰撞， 提高光場與超冷極性分子系綜的強(qiáng) 耦合相互作用。理論研究在囚禁勢所限制的玻 色-費(fèi)密混合系統(tǒng)在二維光晶