原子系综中集体激发态的退相干机制实验研究

本项目将实验研究原子系综中集体激发态的退相干机制，使用囚禁在偶极光阱中的冷原子作为量子存储器，用以解决远距离量子通信中的瓶颈问题，即量子中继器所需的高效率、长寿命的量子态存储和读取。我们将采用磁光阱（MOT）俘获Rb-87冷原子，并进一步冷却到20微开左右，然后把原子导入一束与DII共振线蓝失谐的激光形成的偶极光阱中。这些被蓝失谐光阱囚禁的冷原子用做量子存储，和自由状态的冷原子相比，可以有效的避免原子飞出作用区域，长时间保持合适的光学厚度；和红失谐偶极光阱中的原子相比，此处因为原子在光场的极小点，所以蓝光阱体系具有较低的散射率，并且易于调整原子系综的空间模式。再结合光泵浦，使用"原子钟态"能级作为存储，这样可以同时获得长存储寿命和高读出效率。本课题将实现高效率、长寿命的量子存储器，推动远距离量子通信、及其与原子物理交叉学科的发展，并将为量子调控和量子模拟提供一个理想的研究平台。

本课题成功完成了申请时提出的各项研究任务，实现了蓝失谐偶极光阱囚禁的高光学厚度的Rb-87冷原子气体，基本厘清了原子系综中集体激发态的各种退相干机制；当我们利用原子钟态能级和引入补偿激光时，冷原子集体态的寿命从1ms左右提升到了28ms，结果发表在Phys. Rev. A上；使用此实验中开发的各种技术，结合参量下转换纠缠源，我们首次实现了参量下转换纠缠态到冷原子集体态的高保真度传输，研究结果发表在Nat. Photonics上；同时，我们使用多个原子系综首次实现了可预知的原子NOON态（发表在PRL）、原子系综A的集体态到原子系综B的集体态的宏观量子态的隐形传态（发表在PNAS）。通过本项目的开展，我们的研究团队积累了多项光与冷原子相互作用的实验技术，搭建了进行量子调控和量子模拟的基础平台。.. 在本项目的执行期间，我们的多项研究成果分别发表在包括PRL，Phys. Reports，Nat. Photonics等科学期刊上，共计7篇国际论文，引起国内外同行的广泛关注；培养多名研究生和本科生，目前有2名在读博士生，3名在读硕士生，多名本科生；建立了广泛的国际国内合作，先后有两名德国海德堡大学的本科生和研究生到本研究组进行联合培养。本项目的顺利开展，也使我们成功获得了自然科学基金委单量子调控重大研究计划2013-2016的资助。