冷原子系综单集体激发态的操纵、转化及退相干研究

The aim of this project is to carry out experimental research on manipulation of single photons and atomic collective states. We would combine the cold atomic ensemble with the ring optical cavity to develop a deterministic single photon source, and explore the physical mechanism of the conversion process. we will use the technique of optical lattice and optical/magnetic field compensation to significantly increase the decoherence time of atomic collective state and lifetime of quantum memory. The will help us to gain knowledge on precision measurements and frequency standards. We will develop STIRAP (Stimulated Raman Adiabatic Passage) technique to rephase the spin wave for suppressing dechoherence. This will also offer us a chance to rotate single collective excitation with an arbitrary angle..Implementation of this project would build a research center for quantum manipulation of photons and cold atoms, boost the development of related scientific field and technology, exploit quantum control technology, train a group of young research talents with rich knowledge and scientific experience in quantum manipulation.

本项目旨在深入研究单光子、冷原子集体态的测量和操控的实验方法和技术。我们将使用冷原子系综和环形光学腔结合的方法，探索单光子和冷原子单激发态之间相互作用和转化的物理机制，并应用于高品质的确定性单光子源的制备；我们将使用光晶格、光场补偿和磁场补偿等技术大幅提升冷原子单激发态的退相干时间，为未来精密测量和频率标准提供科学平台；并且利用受激拉曼跃迁技术探索新的抑制冷原子集体态退相干的方法，以及实现单激发态量子比特任意旋转的直接操控；同时广泛开展基于单激发态量子存储的应用研究。本项目的开展将使我们能够建成一个基于光和冷原子量子调控的科学研究平台，提升我们对光子、冷原子集体态的操控能力，同时推动相关学科和基础工业的发展，储备量子调控技术，培养一批掌握量子调控基本原理和实验技能、有创新精神并有丰富科学实践经验的青年科研人才。

主要研究内容：根据本项目申请书中设定的研究目标和研究内容--即单光子、冷原子集体态的测量和操控的实验方法和技术，结合研究团队已经具备的研究基础，我们合理的安排了科研人员和研究资源，主要在新物理机制探索和新技术的开发两方面开展了科研工作，成功地完成了本项目的研究目标，获得了一批原创性的研究结果。..主要研究成果包括：(a) 使用冷原子系综和环形光学腔结合的方法，我们实现了对存储在原子系综中单自旋波的高效率读出，同时，实现了自旋波原子内态和光子偏振态之间的高保真度纠缠产生和操控，为基于量子中继器的远距离量子网络建设提供了基本模块，该研究成果发表在PRL 114, 210501 (2015)；(b) 把冷原子装载到光晶格，冻结了原子热运动从而抑制了自旋波乱相，实现了近80%的读出效率和0.2秒的退相干时间，成为国际上综合性能最好的量子存储器，该研究成果发表在Nat. Photon. 10, 381 (2016)；超冷原子装载到光晶格，我们实现了原子之间自旋相互作用的调控，并在国际上首次产生和探测了约600对原子自旋比特的纠缠，该研究成果发表在Nat. Phys. 12, 783 (2016)；(c) 实验中使用受激拉曼跃迁技术调控自旋波集体激发态中的自旋回波效应，通过巧妙的选择控制光场的空间模式及优化其脉冲形状，首次在单量子激发的水平验证了自旋回波效应对冷原子集体态退相干的有效抑制，并演示了该方法对自旋波单量子的任意旋转操控的能力，该研究成果发表在PRL 115, 133002 (2015)。..科学意义：以上的研究成果代表了国际上对冷原子集体态的量子调控、单激发自旋波退相干抑制、光与原子比特纠缠操控等研究的最高水平，为基于量子中继器的大尺度量子通信网络和基于超冷原子的量子计算积累了重要的物理基础。成果发表后即获得了国际同行的广泛关注。同时，在本项目执行期间我们通过“青年千人”计划引进海外人才1人，培养了包括5名博士生、11名硕士生的一批优秀研究生，为我国量子信息科学的发展储备了高水平的创新人才。通过本项目的开展，我们与国际同行进行了广泛的交流和建立了深入的合作。