(高清版)GBT 43735-2024 量子精密測(cè)量中里德堡原子制備方法

量子精密測(cè)量中里德堡原子制備方法2024-03-15發(fā)布2024-10-01實(shí)施I前言 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)和定義 14制備原理 5儀器設(shè)備 35.1激光器 35.2光電探測(cè)器 45.3信號(hào)采集儀器 46制備步驟 6.1環(huán)境條件 46.2操作方法 7制備有效性檢驗(yàn) 57.1檢驗(yàn)指標(biāo) 7.2檢驗(yàn)方法 8制備報(bào)告 5Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由全國(guó)量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC578)提出并歸口。本文件起草單位：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、深圳中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、山西大學(xué)、中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司、北京無(wú)線電測(cè)量研究所、中國(guó)科技大學(xué)、之江實(shí)驗(yàn)室、華中科技大學(xué)、國(guó)儀量子(合肥)技術(shù)有限公司、深圳市標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院。1量子精密測(cè)量中里德堡原子制備方法1范圍本文件描述了里德堡原子制備的方法，給出了制備原理、儀器設(shè)備、制備步驟、制備有效性檢驗(yàn)以及制備報(bào)告的說(shuō)明。本文件適用于量子精密測(cè)量等領(lǐng)域里德堡原子的制備。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件?；鶓B(tài)groundstate原子處于最低能級(jí)狀態(tài)時(shí)，電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)的量子態(tài)。激發(fā)態(tài)excitedstate相對(duì)基態(tài)(3.1)而言，原子處于較高能級(jí)狀態(tài)的量子態(tài)。里德堡態(tài)Rydbergstate主量子數(shù)n較高(典型值n≥10)的量子態(tài)。里德堡原子Rydbergatom處于里德堡態(tài)(3.3)的原子。4制備原理里德堡原子制備主要是將原子從基態(tài)激發(fā)到里德堡態(tài)，需要滿足吸收光子能量等于原子基態(tài)和里德堡態(tài)的能級(jí)差△E的條件。常用的制備方法按照激發(fā)方式可分為單光子吸收激發(fā)法、雙光子吸收激發(fā)法、三光子吸收激發(fā)法三種，能級(jí)示意圖如圖1所示。2n)2,6:2nSi/nD/2,5/2nP?z,3/2nS?gnS?/znS?ga)單光子吸收激發(fā)法b)雙光子吸收激發(fā)法c)三光子吸收激發(fā)法nPlz.3/2——角量子數(shù)為1且角動(dòng)量量子數(shù)為1/2、3/2的原子激發(fā)態(tài)能級(jí)；nSyz——角量子數(shù)為0且角動(dòng)量量子數(shù)為1/2原子基態(tài)能級(jí)；nD?z,s/2——角量子數(shù)為2且角動(dòng)量量子數(shù)為3/2、5/2的原子激發(fā)態(tài)能級(jí)；nFs/?./2——角量子數(shù)為3且角動(dòng)量量子數(shù)為5/2、7/2的原子激發(fā)態(tài)能級(jí)。圖1常用里德堡原子制備方法激發(fā)能級(jí)示意圖a)單光子吸收激發(fā)法。原子基態(tài)和里德堡態(tài)的能級(jí)差△E見公式(1):△E——原子基態(tài)和里德堡態(tài)的能級(jí)差；h——普朗克常數(shù)；v——單光子吸收激發(fā)所需激光的頻率。b)雙光子吸收激發(fā)法。原子基態(tài)和里德堡態(tài)的能級(jí)差△E見公式(2):△E——原子基態(tài)和里德堡態(tài)的能級(jí)差；h——普朗克常數(shù)；v?——雙光子吸收激發(fā)中所需激光1的頻率；v?——雙光子吸收激發(fā)中所需激光2的頻率。c)三光子吸收激發(fā)法。原子基態(tài)和里德堡態(tài)的能級(jí)差△E見公式(3):△E——原子基態(tài)和里德堡態(tài)的能級(jí)差；h——普朗克常數(shù)；v?——三光子吸收激發(fā)中所需激光1的頻率；v?——三光子吸收激發(fā)中所需激光2的頻率；3v?——三光子吸收激發(fā)中所需激光3的頻率制備具有確定軌道角動(dòng)量量子數(shù)l的里德堡原子，在滿足公式(1)或公式(2)或公式(3)的光子能量條件下，軌道角動(dòng)量量子數(shù)變化量△l需要滿足躍遷選擇定則：△l=±1;制備具有確定總角動(dòng)量量子數(shù)J的里德堡原子，總角動(dòng)量量子數(shù)變化量△J需要滿足躍遷選擇定則：△J=±1。制備具有確定磁量子數(shù)m的里德堡原子，磁量子數(shù)變化量△m需要滿足躍遷選擇定則：△m=0,±1。實(shí)現(xiàn)△m=0的量子態(tài)躍遷采用π偏振激發(fā)光；實(shí)現(xiàn)△m=1的量子態(tài)躍遷采用σ偏振激發(fā)光；實(shí)現(xiàn)△m=-1的量子態(tài)躍遷采用σ-偏振激發(fā)光。5儀器設(shè)備5.1激光器使用激光器泵浦原子完成特定能級(jí)躍遷，可使用的激光器包括半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、鈦寶石激光器等。不同制備方法使用的激光器要求如下。a)單光子吸收激發(fā)法激光器數(shù)量：1臺(tái)。激光波長(zhǎng)：297nm±5nm(銣原子)或319nm±5nm(銫原子)。b)雙光子吸收激發(fā)法激光器數(shù)量：2臺(tái)。激光器1:——激光波長(zhǎng)：780nm(銣原子)或852nm(銫原子);激光器2:——激光波長(zhǎng)：483nm±5nm(銣原子)或513nm±5nm(銫原子);c)三光子吸收激發(fā)法激光器數(shù)量：3臺(tái)。激光器1:——激光波長(zhǎng)：780nm(銣原子)或852nm(銫原子);激光器2:——激光波長(zhǎng)：785nm±15nm(銣原子)或1425nm±75nm(銫原子);激光器3:——激光波長(zhǎng)范圍：1375nm±125nm(銣原子)或800nm±50nm(銫原子);45.2光電探測(cè)器光電探測(cè)器將光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行光譜信號(hào)的測(cè)量。光電探測(cè)器參數(shù)要求如下。——波長(zhǎng)范圍：覆蓋探測(cè)所需波長(zhǎng)?！肼暤刃Чβ?NEP):≤10pW/√Hz。5.3信號(hào)采集儀器信號(hào)采集儀器包括示波器或光譜儀。示波器完成信號(hào)的時(shí)域特性采集，光譜儀完成信號(hào)的頻域特性采集。兩者可根據(jù)實(shí)際需要選用。6.1環(huán)境條件里德堡原子制備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境應(yīng)滿足如下條件。——相對(duì)濕度：(50±20)%。6.2操作方法6.2.1單光子吸收激發(fā)法單光子吸收激發(fā)法制備里德堡原子的操作程序包括：a)確定原子類型，根據(jù)基態(tài)和所需制備的目標(biāo)里德堡態(tài)，通過(guò)公式(1)計(jì)算單光子吸收激發(fā)所需激光的頻率，并鎖定激光器頻率；b)調(diào)節(jié)激光功率、偏振態(tài)等主要參數(shù)；c)將激光光束聚焦作用在基態(tài)原子上，通過(guò)單光子吸收，將基態(tài)原子激發(fā)至目標(biāo)里德堡態(tài)，完成里德堡原子的制備。6.2.2雙光子吸收激發(fā)法雙光子吸收激發(fā)法制備里德堡原子的操作程序包括：a)確定原子類型，根據(jù)基態(tài)、中間態(tài)，以及所需制備的目標(biāo)里德堡態(tài)，通過(guò)公式(2)計(jì)算雙光子吸收激發(fā)所需激光器1和激光器2的頻率，并鎖定激光器頻率；b)調(diào)節(jié)激光功率、偏振態(tài)等主要參數(shù)；c)調(diào)節(jié)激光光束路徑，將激光器1和激光器2的輸出光束重合照射在基態(tài)原子上，通過(guò)雙光子吸收，將基態(tài)原子激發(fā)至目標(biāo)里德堡態(tài)，完成里德堡原子的制備。6.2.3三光子吸收激發(fā)法三光子吸收激發(fā)法制備里德堡原子的操作程序包括：a)確定原子類型，根據(jù)基態(tài)、第一激發(fā)態(tài)、第二激發(fā)態(tài)，以及所需制備的目標(biāo)里德堡態(tài)，通過(guò)公式(3)計(jì)算三光子吸收激發(fā)所需激光器1、激光器2和激光器3的頻率，并鎖定激光器頻率；b)調(diào)節(jié)激光功率、偏振態(tài)等主要參數(shù)；c)調(diào)節(jié)激光光束路徑，將激光器1、激光器2和激光器3的輸出光束重合照射在基態(tài)原子上，通過(guò)三光子吸收，將基態(tài)原子激發(fā)至目標(biāo)里德堡態(tài)，完成里德堡原子的制備。7制備有效性檢驗(yàn)里德堡原子制備的有效性采用如下指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。a)原子數(shù)量：從基態(tài)原子制備出的里德堡原子數(shù)目。b)原子密度：從基態(tài)原子制備出的單位體積內(nèi)里德堡原子數(shù)目。c)光學(xué)厚度：采用光激發(fā)基態(tài)原子制備里德原子的過(guò)程中單位截面積上的光學(xué)吸收程度，是無(wú)量綱物理量。d)里德堡態(tài)保真度：制備出的里德堡原子量子態(tài)在一定時(shí)間后保持原來(lái)狀態(tài)的程度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容，選擇下列方法檢驗(yàn)里德堡原子制備的有效性。a)吸收光譜法：主要是利用光電探測(cè)器接收原子的吸收光譜，并用示波器或光譜儀記錄分析，實(shí)現(xiàn)特定里德堡態(tài)的探測(cè)。電磁誘導(dǎo)透明(EIT)是一種常用的吸收光譜法。b)熒光探測(cè)法：使用光電探測(cè)器接收原子由里德堡態(tài)自發(fā)輻射回低能態(tài)所發(fā)出的熒光信號(hào)。由于里德堡原子能級(jí)間隔很小，導(dǎo)致自發(fā)輻射的光譜分布很寬，熒光探測(cè)法無(wú)法實(shí)現(xiàn)里德堡態(tài)的精確探測(cè)；同時(shí)，熒光強(qiáng)度隨主量子數(shù)的增加迅速減小，此方法只適合主量子數(shù)較低的里德堡態(tài)的探測(cè)。c)場(chǎng)電離探測(cè)法：利用里德堡原子易電離的特