论文部分内容阅读
建立远距离的量子通信和量子网络对于量子信息技术实用化的发展具有重要的意义。面向这一目标,量子中继成为了解决单光子信号在网络中衰减问题的重要途径之一。在诸多可实现量子中继的物理体系中,冷原子系综具有相干时间长和集体增强效应等优点,在所有实现量子中继的体系中综合指标较好。然而传统的DLCZ方案为了避免高阶激发仍然具有概率性的缺陷,这大大限制了量子节点之间的连接效率。我们通过采用里德堡阻塞机制,实现确定性的制备和操控单量子态,克服了原有量子中继方案中的概率性缺陷。在本文的研究中,我们首先搭建了一套冷原子系综的实验平台,利用激光冷却囚禁技术,制备了铷87冷原子系综,进一步的将磁光阱中的原子装载到光偶极阱中实现微小原子系综的制备,为后续引入里德堡阻塞机制和制备里德堡态单激发奠定了实验基础。之后,我们进行了一系列的实验探究。首先,我们在系综中实现了基态双激发集体态的制备,利用拉曼耦合场对不同基态激发进行分束器操作,实现了首个里德堡原子内态的Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉实验,验证了原子集体激发的量子性,利用其形成的NOON纠缠态进行Ramsey干涉实现了磁场的超分辨测量,该实验为接下来单个系综内的使用集体编码多个量子态铺平了道路。然后,通过引入集体激发态的动量自由度,制备了单光子极化与集体激发态动量自由度之间的半确定纠缠,纠缠保真度达到0.901(8),并将纠缠态的内禀效率提高到了 50%,比DLCZ方案提升了两个数量级。制备的纠缠态可以用于量子中继中高效率的连接远距离节点。最后,对于制备里德堡单激发态,常用的跃迁方案是双光子拉曼跃迁,这里我们开发了实验条件更具鲁棒性的绝热演化的Chirp激发方案,该方案减少了对激光脉冲宽度和激光频率等精度的要求,此外,Chirp激发的里德堡态布居对环境引起的退相干更慢,为今后里德堡原子系综制备单光子源提供另一种可行方案。我们的研究表明,基于里德堡阻塞机制的微小冷原子系综体系具有较强的集体增强效应和丰富的确定性态制备的能力,是未来升级量子通信和量子网络最为可行的解决方案之一,极大地促进了量子中继技术的发展和应用。