近日，山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室張?zhí)觳拧⒗顒偨淌趲ьI(lǐng)的腔量子電動力學研究團隊在單原子的量子調(diào)控方面取得重要進展。該團隊發(fā)現(xiàn)了由聲子隨機躍遷導致的光學偶極阱中單原子量子態(tài)退相干的新機制，并通過全面抑制原子退相干，將單個銫原子的相干時間提升到20秒。該相干時間是目前堿金屬原子量子比特的最長記錄。相關(guān)研究成果以“Extending the coherence time limit of a single-alkali-atom qubit by suppressing phonon-jumping-induced decoherence”為題，于2024年10月2日發(fā)表在Optica上。

量子比特的相干時間是量子信息技術(shù)最重要的基礎(chǔ)參數(shù)之一。長的相干時間能夠提高量子信息的存儲時間、量子門的操控次數(shù)和操控精度，是衡量量子系統(tǒng)綜合能力的重要指標。光學俘獲的單原子系統(tǒng)是量子信息存儲和處理的基本系統(tǒng)，如何消除各種退相干因素，提高該系統(tǒng)的相干時間，是科學家們面臨的重要難題。張?zhí)觳?李剛團隊長期以來圍繞該問題進行了系列研究。2019年該團隊提出了一種全新的“三重魔術(shù)條件”(Triply magic conditions)方案，通過簡并雙光子躍遷的光頻移補償單光子躍遷的光頻移，從而抑制光場頻率、強度以及外部磁場等起伏對原子態(tài)的影響，能夠大幅提高原子的相干時間[Phys. Rev. Lett. 123, 253602 (2019)]。2022年，該團隊理論分析了光學阱中原子的運動，引入原子運動的量子態(tài)（原子振動的聲子態(tài)），完整描述了光學阱中原子的波函數(shù)，以新的視角全面分析了光場噪聲對原子相干性的影響[New J. Phys. 24 083028(2022)]，但實驗上采用“魔術(shù)條件”獲得的相干時間遠低于理論估算。

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聲子跳躍誘導退相干及20秒長相干時間示意圖

在最新發(fā)表的工作中，該團隊進一步引入光場噪聲導致的原子振動聲子態(tài)的隨機躍遷，對原子量子態(tài)退相干機制進行了新的闡釋。團隊發(fā)現(xiàn)并實驗驗證了一種新的退相干機制，即“聲子跳躍誘導的退相干”（Phonon-Jumping-Induced Decoherence, PJID）。實驗上采用藍失諧瓶子阱（Blue-detuned Bottle Trap）技術(shù)俘獲單個原子，并利用邊帶拉曼冷卻技術(shù)，將原子成功地冷卻到三維運動基態(tài)[Opt. Lett. 49, 542 (2024)]，實現(xiàn)了銫原子內(nèi)態(tài)能級起伏和聲子跳躍誘導退相干的同時抑制。最終將單個銫原子量子態(tài)的相干壽命提高到20 秒。該相干時間是目前報道的光學阱中基于單個堿金屬原子量子比特的最長記錄。該項工作通過全面分析單原子量子態(tài)的退相干過程，深刻揭示了光學偶極阱中原子的退相干的物理機制，為延長單原子量子態(tài)的相干時間提供了新的可能，也為高精度相干操控光學捕獲的原子或分子的量子態(tài)開辟了新的前景。

論文第一作者為我校光電研究所博士生田壯壯、共同第一作者為博士生常昊博和呂鑫，通訊作者為張?zhí)觳沤淌诤屠顒偨淌�。這項工作得到科技部重點研發(fā)計劃項目、國家科技創(chuàng)新2030重大項目，國家自然科學基金、量子光學與光量子器件國家重點實驗室(山西大學)和省部共建極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心(山西大學)的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.529577