囚禁离子的快速冷却研究

Cooling a trapped ion to its motional ground state is an essential procedure in experiments with trapped ion systems. The studies on the fast cooling schemes of trapped ion systems are crucial to the physical realization of quantum computation. One can enhance the cooling rate by increasing the coupling strength between the cooling laser and the trapped ions in the weak coupling regime, but the cooling rate cannot be raised in strong coupling regime due to the saturation effect. In this project, we will introduce the quantum control technique in the strong coupling regime to overcome the saturation effect and achieve fast cooling rate, and then we further explore the high efficient cooling methods in this regime. The main contents of this project are the follows: 1) Analytically solving the cooling dynamics of a trapped ion in strong coupling regime. 2) Proposing the fast cooling schemes by combing quantum control theory with the properties of cooling dynamics in strong coupling regime. 3) Exploring the high efficient cooling scheme by combining the new fast cooling schemes with the coherent cooling schemes. These studies can provide the theoretical supports for the the laser cooling experiments, but also help to push many research areas (e.g. quantum optics and quantum metrology) forward.

囚禁离子系统的基态冷却是离子阱实验技术的重要环节。将离子的快速冷却至其运动基态对于量子计算的物理实现具有重要的意义。目前，当冷却激光与离子耦合较弱时可通过增强耦合强度来提高离子冷却速率；但进入强耦合区域，“饱和”效应导致离子的冷却速率无法继续提高。本项目拟在强耦合区域内通过引入量子调控技术克服“饱和”效应，实现快速冷却，并进一步探索此区域内囚禁离子的高效冷却理论。主要内容包括：1）发展强耦合区域内的离子冷却动力学解析求解方法；2）依据强耦合区域内的离子的动力学特性，结合量子控制理论，提出囚禁离子的快速冷却方案；3）将快速冷却与相干冷却相结合，进一步探索基于强耦合区域内囚禁离子的高效冷却理论。通过对本项目的研究不但可以为囚禁离子的冷却实验提供直接的理论参考和技术积累，同时将对光与物质相互作用，量子开放系统等研究方向起到积极的推动作用。

囚禁离子系统的基态冷却是离子阱实验技术的重要环节。将离子的快速冷却至其运动基态对于量子计算的物理实现具有重要的意义。本项目开展了“囚禁离子的快速冷却”的研究。主要研究内容及结果如下：1）在电磁感应透明（EIT）冷却的基础上，并利用微波耦合增强离子冷却速率，提出了基于微波耦合的囚禁离子快速冷却方案；2）提出了基于微波耦合的囚禁离子深度冷却方案，可成功将离子冷却至单光子反冲极限以下；3）在多普勒冷却条件下，通过引入量子反馈机制，对单个囚禁离子运动信息提取，可将离子晶体冷却至多普勒极限以下，冷却速度也优于多普勒冷却；4）提出了基于量子调控的离子的冷却方案，通过改变离子的等效耗散速率，可突破冷却激光过强导致的冷却速率“饱和”效应，实现囚禁离子的超快冷却。.本项目还对光机械振子的冷却进行深入研究，分别研究了与二能级、三能级和四能级原子系综耦合的光机械振子的冷却方案。1）与二能级原子系综耦合的光机械振子冷却方案中，利用低耗散原子与光机械系统耦合，可以在坏腔极限下实现机械振子的基态冷却；2）与三能级原子系综耦合的光机械振子冷却方案中，即使原子耗散速率和腔耗散速率均高于振子频率，也能实现振子的基态冷却；3）与四能级原子系综耦合的光机械振子冷却方案中，利用腔EIT效应避免了原子对腔中光子的吸收，增强光机械耦合强度，从而能够实现更快的冷却速度，可有效克服环境噪声对冷却产生不利影响。.此外，本项目还支持了绝热量子计算研究、量子搜索算法及量子计算实现等方向的研究。