基于超冷极性分子的量子态制备与外场操控

Quantum information science has inestimable value in economy development, national security, and society advancement. The preparation and manipulation of quantum state is the foundation of quantum information processing. Ultracold polar molecules have the permanent electric dipole moment and the controllable long range dipole-dipole interaction by external field, which enable them to act as a effective storage medium of quantum state and get many attentions from researchers. Based on the experimental platform of ultrcold polar molecules, we will mainly study the new methods for efficiently preparation of ultracold polar moleculars and manipulation of molecular quantum state. Using the polarization gradients laser cooling and evaporative cooling, the temperature of Rb and Cs atoms can be cooled down to about several microkelvin with high density. Using magnetic Feshbach resonances technique, the ultracold molecules can be prepared in the weakly bound state near the dissociation limit. Then using the two photon stimulated Raman adiabatic passage techniques, we will get the ultrcold RbCs moleculars with high density, long lifetime, and selectable rovibrational level in the absolute ground state. There is the dipole-dipole interaction of ultracold polar molecules with external field, we can investigate the molecular collision property and decoherence progress. Then we will load the ground state polar molecular into optical lattice, and study the quantum entanglement preparation and measurement. These development will be useful for the new principle and method of manipulating polar moleculars as quantum states, and will obtain some important progress in molecular quantum state preparation, manipulation and measurement.

量子信息科学在经济发展、国家安全和社会进步等方面有着重要的意义。量子态的制备和操控是进行量子信息处理的基础，外场作用下的超冷极性分子气体因其具有永久的电偶极矩和可控的长程偶极-偶极相互作用而成为一种有效的量子态存储介质。本项目将在超冷极性分子实验系统的基础上，重点研究超冷极性分子量子气体的高效制备和分子量子态操控的新机制。通过磁缔合Feshbach共振技术将温度在微开量级的超冷原子缔合成近离解限的弱束缚超冷分子，再采用受激Raman绝热通道技术,获得高密度长寿命振转能级可控的基态超冷铷铯分子。研究高密度超冷极性分子气体在光格子中的受控机制并研究其碰撞特性及其退相干过程。研究不同外电场条件下的超冷极性分子偶极-偶极相互作用和分子扩散的动力学过程，在超冷极性分子介质中研究分子-分子纠缠态的制备与测量。发展对分子量子态制备和操控的新原理和新技术，在分子量子态的制备、操控及测量方面取得重要进展。

超冷极性分子具有丰富的内态结构和空间不对称性及永久电偶极矩，其独特的长程偶极-偶极相互作用有利于外场操控，使其在量子态调控领域具有非常广阔的应用前景，是当前物理学研究的重要前沿领域，相关研究在精密测量、量子信息、超冷化学和多体物理等被广泛关注。本项目旨在利用超冷极性分子丰富的内在量子结构，利用光学偶极阱，研究分子间相互作用，制备纯基态分子量子态并通过电场、微波场等对其调控。.本项目实施期间研究人员按照研究计划认真执行，顺利完成了如下研究目标：通过俘获损耗光谱技术和多光子电离技术获得了详细的超冷极性分子激发态和基态的光谱，为研究超冷RbCs分子内态结构提供了丰富的能级数据，校准和补充了其他实验组的相关结果；通过分析光谱数据找到了一条高效制备基态分子的跃迁通道，即通过分子级联跃迁获得纯基态振转能级最低的超冷RbCs分子，研究了在光学偶极阱中超冷原子分子的相互作用和碰撞动力学过程；理论和实验上研究了偶极-偶极相互作用下的分子量子纠缠行为及其对原子分子碰撞动力学的影响；使用微波场对基态超冷分子的转动态进行了操控，并精确测量了基单态分子转动常数，通过控制微波脉冲宽度，获得了转动态间粒子数布局的拉比振荡信号。通过项目实施，建立了一套运行稳定的制备低温度高密度长寿命纯基态超冷RbCs分子的实验系统，形成了可以持续开展基于超冷极性分子的基础研究和相关应用的实验平台。制备了纯基态X1Σ+ (v=0,J=0) 最低振转量子态的超冷极性分子，研究了偶极-偶极相互作用对原子分子光谱展宽的作用。研究结果和发展的实验方法为实现超冷极性分子转动量子态的微波操控和量子模拟提供了理论基础和技术支持。