我們?cè)敿?xì)研究了用于中性原子量子計(jì)算的單量子比特操控.實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的基本要素包括：可擴(kuò)展量子寄存器的制備和讀取,單量子比特操作,多量子比特操作.基于“碰撞阻塞”效應(yīng),可以在微型光學(xué)偶極阱中囚禁單原子.為了實(shí)現(xiàn)量子寄存器的初始化,我們?cè)诃h(huán)形光晶格中制備單原子陣列.對(duì)于堿金屬原子,量子比特被編碼在基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)上.我們采用雙光子受激Raman躍遷,進(jìn)行單原子內(nèi)態(tài)的各種操控.本論文中,主要的創(chuàng)新點(diǎn)和結(jié)果展示如下：1、我們采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖時(shí)序有效抑制單原子量子比特的退相干.CPMG時(shí)序被視為是多組spin echo脈沖的疊加,已經(jīng)應(yīng)用于多種體系,可以有效改善量子比特的相干性.我們將這種技術(shù)擴(kuò)展到單原子體系中,通過采用π脈沖個(gè)數(shù)n=6的CPMG時(shí)序,均勻退相干時(shí)間比采用spin echo脈沖時(shí)延長(zhǎng)了3倍.2、利用輔助的可移動(dòng)的光阱,我們?cè)诠饩Ц裰修D(zhuǎn)移單原子量子比特,并詳細(xì)研究了轉(zhuǎn)移過程對(duì)量子比特保真度的影響.如果輔助光阱的勢(shì)深較大,將其從靜止阱上掠過時(shí),囚禁的單原子會(huì)跟隨著移動(dòng)阱一起運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移.原子的轉(zhuǎn)移效率可以達(dá)到95%.因?yàn)椴粫?huì)影響光晶格中其他位置囚禁的原子,這種方案適用于可擴(kuò)展的量子寄存器.在單原子轉(zhuǎn)移過程中,本征態(tài)的保真度保持不變,為F=0.94.疊加態(tài)的保真度會(huì)受到影響,在T=20 ms時(shí)測(cè)量,未進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí)保真度為F=0.74,經(jīng)過轉(zhuǎn)移后減小到F=0.66.研究表明,單原子轉(zhuǎn)移過程中疊加態(tài)保真度的損失,主要來自于該過程引起的加熱效應(yīng)和偶極阱激光的指向漲落.與單離子轉(zhuǎn)移相比較,單原子轉(zhuǎn)移的研究存在著很多共性的需求和挑戰(zhàn),進(jìn)一步可以將我們的轉(zhuǎn)移過程與其他手段相結(jié)合.3、我們研究了自由空間和偶極阱中單原子物質(zhì)波干涉.采用一系列對(duì)射Raman光脈沖,可以實(shí)現(xiàn)冷原子干涉儀,在精密測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.我們實(shí)現(xiàn)了自由空間中的單原子Mach-Zehnder型干涉儀,并測(cè)量了單原子物質(zhì)波相干長(zhǎng)度.同時(shí)在偶極阱中,觀察到干涉條紋對(duì)比度隨著測(cè)量時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速衰減,這正是由于原子在阱中做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)造成的.由此,我們提出了偶極阱中包含兩脈沖的單原子干涉儀方案.4、我們優(yōu)化激光冷卻時(shí)序,將囚禁在雙色阱中的單原子冷卻到Lamb-Dicke區(qū).為了在紅失諧光學(xué)偶極阱中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)囚禁,一束藍(lán)失諧的中空光束與之疊加.優(yōu)化偏振梯度冷卻后,采用釋放再抓捕的方法測(cè)量單原子溫度.通過計(jì)算得到,阱中單原子滿足Lamb-Dicke條件,有助于進(jìn)一步采用Raman邊帶冷卻制備單原子到簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)基態(tài).5、我們采用壓縮感知技術(shù)初步提高了單原子陣列熒光成像的分辨率.當(dāng)信號(hào)滿足特定的稀疏條件時(shí),壓縮感知提供了一種恢復(fù)重建信號(hào)的求解算法.實(shí)驗(yàn)中,我們收集單原子熒光,成像到電子倍增相機(jī)上,對(duì)整個(gè)單原子陣列進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制.應(yīng)用壓縮感知技術(shù)處理后,初步提高了兩個(gè)單原子成像的分辨率.總之,我們?cè)诳蓴U(kuò)展的量子寄存器中展示了單原子量子比特的各種操控.這些工作為采用中性原子進(jìn)行量子計(jì)算提供了基礎(chǔ).
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢物理與數(shù)學(xué)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：O431.2
【部分圖文】：

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本文編號(hào)：2820993