里德堡原子和极化分子的杂化系统在量子信息中的应用

Rydberg atom and polar molecule both have a large dipole and thus can be controlled by external electromagnetic field. Due to this similarity, the hybrid system composed of Rydberg atom and polar molecules has attracted a lot of interest. Recent studies show that the hybrid system can have many novel property, e.g., the Rydberg blockade radius can be manipulated by the polar molecule, the external motional freedom can be cooled with the help of a laser-dressed Rydberg atom. Besides, Rydberg atom and polar molecule can form a novel extreme molecule. In this project, we will consider the hybrid system composed of Rydberg atom and polar molecule. We will investigate the interaction between the Rydberg atom and a polar molecule, how to control the interaction between them via external electromagnetic field and the application in quantum information processing and quantum simulation.

里德堡原子和极化分子都具有内禀的偶极矩，都可以利用外电场进行操控，由于这种相似性，里德堡原子和极化分子组成的杂化系统最近开始吸引了众多物理学家的注意力。理论研究表明里德堡原子和极化分子系统具有很奇特的性质，可以利用极化分子来调节里德堡blockade半径的大小，也可以利用里德堡原子来实现分子的外部自由度的冷却。此外里德堡原子和极化分子还可以形成一种全新的奇异分子。本项目将围绕里德堡原子和极化分子的杂化系统及其在量子信息处理和量子操控中的应用展开研究。我们将重点研究里德堡原子和一般极化分子的相互作用，如何利用外电磁场对二者之间的相互作用进行操控，以及在量子信息和量子调控领域的相关的应用。

自从玻色爱因斯坦凝聚在碱金属原子中实现以来，冷原子的量子操控在近十几年中得到了迅速发展，取得了众多意义重大的成果。在冷原子量子调控中取得了巨大的成功之际，很多物理学家开始将注意力转向了更加难以操控但同时也更吸引人的极性分子。在量子调控及物理应用方面，超冷极化分子具有很多原子所不能比拟的优点。极化分子具有永久的电偶极矩，极化分子之间的相互作用是各项异性的偶极-偶极相互作用。这使得可以利用极化分子研究量子简并偶极气体。在本项目的支持下，我们开展了制备NaK基态分子的工作。我们搭建了Na和K的玻色费米混合气装置，并在光阱中将该混合气蒸发得到量子简并的混合气。在该超冷混合气中,我们测量了Na和K之间的Feshbach共振，观测到了24个共振，包括12个d波共振。在此基础上，我们通过射频合成的方法制备了Feshbach分子。我们在重叠的Feshbach共振附近观测到了K原子和NaK分子之间的交换原子的态到态的化学反应。我们通过射频谱的方法不仅观测到了原子产物，还成功观测到了分子产物, 从而完全的观测到了一个超冷化学反应的所有的产物。在此基础上我们测量了反应动力学，得到了反应速率系数。这是一个完全可控的超冷化学反应，对理解超冷化学反应的机制具有重要的意义。此外，在基于光和冷原子量子信息处理方面，我们在实验上第一个成功利用自旋回声实现延长单量子存储寿命的工作。这一工作对延长量子存储的寿命和实现基于原子系综的量子信息处理具有重要的意义。我们利用六光子系统在实验上制备了一个3逻辑比特的C-GHZ态，根据实验上制备的C-GHZ态，通过观测C-GHZ态的可提纯性，我们实验上证实了C-GHZ态比普通的GHZ态可以容忍更多的噪声。C-GHZ态可以用来制备宏观的大尺度的薛定谔猫态，这为实现量子增强的精密测量铺平了道路。