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1、 目目 录录摘要2Key words.21.引言32 实验原理52.1 单原子传出带的基本原理 .52.2 偶极力的经典模型.62.2.1 原子极化率的 Lorentz 模型72.2.2 势阱深度.72.2.3 散射率.82.2.4 光学驻波偶极阱深计算 .103 实验方案.113.1 激光波长、功率的选择 113.2 光路的设计123.3 精细调节原子位置133.4 装置调节监测153.5 实验装置图164 总结.17参考文献17致谢181单原子传输带的研究摘要 单粒子操控是实现量子信息的基础，如量子开关，量子逻辑门，量子存储等。原子与光子之间进行量子态的转化，既要效率高，又要保持量子态不失
2、真，在腔 QED 实验中，必须确定性研究单原子如何进入腔，原子辐射光子以及光子从腔中逃逸等等基本问题。一种确定性地输运原子的方法，即原子传送带，被成功地用在腔 QED 实验中，其原理是利用驻波结构的光学偶极阱传送原子。远离共振的偶极阱（FORT）可以实现既可以俘获原子又基本不会影响它。原子的内态可以被保持很长时间，从而可用于量子存储，制备特殊的状态等。关键词 单原子；传输带；远离共振的偶极阱；驻波Study on the single atom conveyorStudent: Wang Zhihui Tutor: Zhang TiancaiAbstract: Manipulation of
3、single particle is the key issue of quantum information, such as the realization of quantum switch, quantum logic-gate and quantum memory. In all these experiment, the quantum state must be transferred between photons and atoms with high efficiency and low lossless. In the cavity QED system, one nee
4、ds to control the single atoms inside the micro-cavity and the radiated photons which escape from the cavity can thus be obtained deterministically. A method called the single atoms conveyor was used successfully recent years which is based on the standing wave dipole trap. Far-off-resonance dipole
5、trap can be used to capture the atoms with very low scattering rate. The internal state of the atoms can thus be held in a long time, which is essential in the preparation of special atomic state and the quantum memory.Key words: single atom; conveyor; far-off-resonance dipole trap; standing wave21.
6、1.引言引言腔量子电动力学（CAVITY QUANTUM ELECTRODYNAMICS,简称CAVITY QED）主要研究在受限空间，或者从真空环境隔离出的空间中的电磁场与物质（主要有原子、离子以及量子点等）间相互作用的动力学过程。在这个系统中起到隔离真空的“墙壁”常见的有FABRY-PEROT腔、介质小球腔、光子晶体以及其他的微-纳米结构。本质上，CAVITY QED研究的物理过程就是爱因斯坦在1930年索尔末会议上提出的那个著名的光子盒实验的翻版。当初该理想实验作为爱因斯坦质疑玻尔关于量子力学完备性的武器引起了广泛的关注，而在CAVITY QED 中，约束光子的那个盒子换成了上面提到的几
7、种“墙壁”，弹簧则由原子等物质替代。作为一个简洁可控的物理系统理论模型，Cavity QED 一直以来都是开放量子体系研究领域中的典范。在开放量子体系中，相干与退相干是最两个主要的角色。现代 Cavity QED 实验获得的系统长时间的相干特性给光子与原子提供了有效的量子接口，通过这个接口量子态可以在原子与光子之间进行可逆映射，从而使得它们有望成为量子信息处理的理想候选者。腔量子电动力学不仅是研究开放量子系统的典范，也是实现量子信息处理的重要途径之一。强耦合腔量子电动力学中的光与原子之间能量交换速率远大于系统损耗引起的退相干速率，保证了量子信息能够在飞行比特与静止比特之间可靠而且可逆地转换，并
8、提到了原子的可操控性。借助于受激拉曼绝热过程，强耦合于光学腔中的单原子又是产生理想的确定性单光子源的重要手段。高精细度光学腔中的单原子探测与控制则是保证腔量子电动力学能够实现上述目标的核心问题，是腔量子电动力学实验的基础。磁光阱(Magneto-optical trap, MOT)技术的出现使得由于使用热原子源而困难重重的Cavity QED实验重新焕发了生命力。加州理工的Kimble小组与德国Max-Planck实验室的Rempe小组都采用MOT技术为高精细度腔提供了慢原子源，甚至能够将单个原子俘获在腔内。在Kimble小组的实验中，一团在微腔几毫米的上方被冷却到亚多普勒温度的铯原子自由下落
9、通过微腔时，就可以看到单个原子的信号。由于腔内真空场的驻波结构，原子与腔模的耦合强度因位置不同而不同。当原子穿过腔模时，腔的透3射信号会随时间发生而变化。通过这个时变的信号，原子-腔的真空拉比分裂谱就可以被提取出来。与Kimble小组实验进行的同时，Rempe小组在实验中采用85Rb 原子喷泉作为原子源，同样观测到了原子-腔的强耦合号。由于腔内真空场的驻波结构，原子与腔模的耦合强度因位置不同而不同。尽管腔轴方向的 FORT 为腔内原子的俘获提供了有力的技术支持，然而FORT光、探测光以及锁定光同时在微腔上的锁定也限制了操作腔内原子的灵活性。为了实现量子计算与量子通讯，制备精细度更高的光学微腔，
10、实现原子与腔场的强耦合是一个关键技术。不仅如此，还需要把腔联结起来，形成网络，让量子比特在网络中传送。通过腔可以控制原子与光场的量子态，大大减小系统退相干。通过该系统可以从实验上检验量子力学的基本理论。如何在原子与光子之间进行量子态的转化，既要效率高，又要保持量子态不失真！于是，必须研究确定性单原子如何进入腔，原子辐射光子以及光子从腔中逃逸等等基本问题。人们不得不试图寻找一种从腔的侧面独立操控腔内原子的方法。一种称为原子传送带的方法适时而生。单原子传输带的基本想法是：利用相互对射的的光形成的驻波偶极阱从磁光阱中俘获铯原子，然后通过改变两束光之间的频率差形成可以移动的偶极阱将原子传送到光学微腔中
11、。2001年，Meschede小组用相互对射的两束1064nm的光形成的驻波偶极阱成功的从铯原子磁光阱中俘获住确定数目的铯原子，通过改变两束偶极光之间的频率差形成可以移动的偶极阱，可以将俘获的铯原子以80的传输效率在宏观尺度上移动厘米量级。2003年他们又在实验上成功演示了原子传送带可以高的传输效率在毫米量级上来回传送铯原子而维持其内部量子态。2001年，Stefan Kuhr等人在自由空间中用总功率为5W的Nd：YAG激光器通过分束器分成两束等功率的高斯光束并让其对射来构建一个单原子传输带。通过改变控制这两束光频率的AOM驱动信号在两束光间引入一个频率差形成可以移动的偶极阱将原子移到想要的位
12、置。同时对原子移动的整个过程进行了探测。2003年他们又通过实验研究了光学传输带中原子的相干性质和传输的量子态。2003 年，美国佐治亚理工大学的 Chapman 小组用原子传送带方案成功的将铷原子从腔上方距1.5cm 的磁光阱中传送到 75m 长的微腔中。2007 年 Chapman 小组采用一维 Lattice 的方法将确定数目的原子传送到腔模中，并通过腔致冷却的方法可以将单原子在腔中的相互作用时间延长到 15s。实验中他们为了提高原子从 MOT 中装载到传输带中的效率，在垂直于传输带轴的方向加了另外一个光学晶格。该晶格是由一束功率为 1W 的光束反射与自身叠加形成的，且聚焦在 MOT 中
13、心，使得 MOT 中心处的阱深为 1mk，原子从磁光阱中传输到辅助的光学晶格中的效率达到 90%，同时也提高了单原子传输带的传送效率。这个方法在我们今后的实验中值得借鉴。42005年Rempe小组同样用单原子传输带的方法将一系列的单原子耦合到腔中并实现强耦合，通过腔中三维冷却的方法可以将原子在腔中的时间延长到17s。在2007年Rempe小组的Markus博士论文中，他是通过EOM构建了两个光学晶格。首先是一个腰斑在MOT和腔中间的一个驻波，由于光束相对与原子红失谐，所以当MOT关闭时原子将向光强最强处移动，做类似简谐振动。一旦原子进入腔中，另一个聚焦与腔中的驻波打开，将原子俘获在腔中。由此可
14、见，比起原子自由下落和原子喷泉，这种方案可以将单个原子确定性的传入腔中实现强耦合，为强相互作用腔QED研究开辟了新的途径，但是这种方法系统相对复杂。Chapman，Meschede，Rempe 等实验小组都非常成功地应用了这种技术。原子传送带在强耦合区Cavity QED 中的应用使得腔量子电动力学系统在大规模原子量子比特处理的征途上向前迈出了重要的一步。通过原子传送带，原子在腔内的位置可以得到确定性地操作，原子-腔的耦合强度也就可以得到控制。这为Cavity QED 中控制反馈参量调节又提供了一种有效的方法。我们实验室已经实现了用磁光阱冷却并俘获 Cs 原子。完成了光学微腔的搭建和参数的测量
15、过程，并对微腔锁定和操控系统的实现做了具体的分析，最终实现了微腔的锁定并在实验上观察到原子自由下落穿过微腔的信号。但原子与腔的作用时间很短，为了延长原子与腔的作用时间，提高可操控性，我们必须将原子俘获在高精细光学腔中。所以接下来我们的将在腔中加偶极阱和用单原子传输带将磁光阱中的原子定向的传输到腔中。本文研究的主要内容包括：（1）单原子传输带的基本原理（2）偶极力阱的作用模型（3）根据原理和器材的性能设计实验方案2 2 实验原理实验原理2.1 单原子传出带的基本原理单原子传输带的基本想法是：利用相互对射的的光形成的驻波偶极阱现在磁光阱中俘获冷原子，然后通过改变两束光之间的频率差形成可以移动的偶极
16、阱将原子传送到光学微腔中。（1）当两束光频率相同时：)()(UkxtACoskxtACostCosACoskx)2(5tCosxACos)22( （2.1）图 2.1 两束反向传播的激光束形成的驻波产生间距为的一维光学晶格（2）当在两束光之间引入一个频率差 2*时：)()()()( UxkktACosxkktACosxkktSASinxkktCosACos)(in)()()(xkktSinASinxkktCosACos)-()-(-)-()-()()(2kxtCoskxtACos（2.2）图 2.2 两束频率差为 2*的激光束反向传播形成的图形由图 2.2 可以看出是一个振幅受到低频调制的高频波列，高频波列的传播速度为k，相当于波6包的相速度。低频包络的传播速度，这就是波包的群速度。222v
