基于冷原子量子比特链的可扩展的量子计算

通过建造玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)和量子简并的费米气体的实验装置，研究玻色子铷87和费米子锂6,以及它们通过Feshbach共振形成的复合分子（极性和非极性）在一维，二维和三维光晶格中的量子相干, 量子纠缠和量子相变过程。由于冷原子之间的相互作用非常简单并且和凝聚态物理中的诸多现象，如超导，超流，磁性等有极好的类比，本实验装置是演示基于冷原子量子比特链的量子计算一个基本的研究平台。

1.玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)实验

成功搭建了一套玻色-爱因斯坦凝聚实验装置，成功实现了玻色-爱因斯坦凝聚。本装置有以下几个创新点：
(a)自主研发了国内首套饱和光谱稳频的DFB主激光器系统。自制了精密电流源，温度控制器和相关锁频电路，相关的技术完全实现了自主产权，可以为所有相关原子物理实验提供廉价和可靠的激光器。和传统的外腔稳频激光相比，DFB激光器具有非常显著的稳定性优势。使用超低成本的注入锁定激光器来代替昂贵的钛宝石或半导体锥形放大器，大大降低了成本。系统使用的全套激光器（包括我们自制的DFB主激光器）成本在10万元以内，是其他BEC实验激光器成本的五分之一以下。
(b) 使用单真空腔实现BEC实验所需要的超高真空(10-9Pa)。和传统双磁光阱设计相比，光路上减少了一套复杂的6光束磁光阱和相关的分束光路，在真空装置上，少用了一个真空腔和离子泵，装置复杂性大大降低，系统更容易稳定工作。更重要的是，由于没有双磁光阱设计所必须的推送光束，optical access更好，有利于下一步光晶格系统、特别是高维光晶格系统的搭建。本实验系统详细介绍如下:

1. 激光系统

图6-1 激光系统示意图

图6-1为激光系统的光路图。DFB激光管构成的主激光器由饱和吸收光谱锁频在87Rb原子D2跃迁的1,3交叉跃迁频率上，距离激光冷却的频率红失谐为212Mhz。由于DFB激光管价格较昂贵(2万元)，我们让激光管运行在15mW的较低输出功率上，这种条件下，我们的激光管已经稳定工作了1年半以上。部分主激光输出送到Rb蒸汽泡做饱和吸收光谱稳频，我们在Rb蒸汽泡外加一个由锁相放大器控制的5G交变磁场来调制原子跃迁能级从而得到锁频所需的dispersion信号。和传统的用声光调制器的方案相比，这种方法的光路极易调节，成本很低。和调制激光管电流的方法相比，又不会加宽激光线宽。剩余主激光输出光用于注入锁定master slave激光器。Masterslave能够输出120mW，足够为10台以上的注入锁定激光提高种子光。本系统中，Master slave注入锁定了Cooling slave，Loading slave 和 Repumping slave 等三台激光器。Cooling slave的输出经过一个double pass声光调制和光纤能够输出高质量的光束并方便地移频和开关，为提供亚多普勒冷却等过程提供光源。Loading slave的输出直接送到磁光阱中，充分利用其最大输出功率来俘获原子。Repumping slave的电流由一个3.4G的微波调制，产生一级和二级边带。此激光器被种子光注入在二级边带上，利用其零级光作为磁光阱的再泵浦光。这种方案节省了一套锁频主激光器，大大降低了成本。以上激光器系统工作非常稳定。图2为实际激光系统照片。

图6-2 激光系统照片

2. 真空，磁阱系统

本系统使用了单真空腔设计。如前所述，大大简化了BEC装置的复杂性，降低了成本。但是单腔BEC需要在真空腔的大小和本底Rb分压上做很好的平衡。真空腔太大，则磁阱的束缚强度会变差，功耗会急剧上升。真空腔太小，则磁光阱中能俘获的原子数会急剧减小。本底Rb分压过高，则磁阱中的寿命将会变差，本底Rb分压过低，则磁光阱中能俘获的原子数太少。我们根据实验优化了相关参数，实现了优良的系统性能。图6-3为真空系统实物图。我们的真空部件全部订购自国内厂商，如科仪的离子泵等。实验结果表明这些设备能很好地工作在10-9Pa的超高真空下。

图6-3 真空系统实物照片，包括离子泵，钛升华泵和相关真空腔

3.初步实验结果

磁阱是实现BEC的重要条件。我们采用了技术上成熟的QUIC阱。用Matlab计算了相关磁场分布，见图6-4。

图6-4 Matlab计算的磁阱等势面分布

用Maxwell有限元软件包分析了磁阱线圈的温升分布，有针对性地优化了结果，从而得到性能优异的磁阱。相关参数和其他研究小组的对比见表1。我们自制磁阱线圈的实物照片见图6-5。

 

表1磁阱参数和其他研究小组的对比：

图6-5 磁阱实物照片

图6-6 磁阱中原子寿命测量

——原子在磁阱中的寿命达到100秒左右，证实真空腔中的真空度非常好。测量数据见图6-6.在保证真空寿命的条件下，我们在磁光阱中俘获8*107个原子。经过偏振梯度冷却后温度能降低到20uK，转移到最后的QUIC磁阱中4*107个原子。下面分别给出了相关吸收成像图。

图6-7磁光阱中原子分布的伪彩图（左）和吸收成像图（右）

图6-8在CMOT中压缩后的原子云	图6-9偏振梯度冷却后的原子云，温度降低到20uK
图6-10俘获在四级磁阱中的原子云	图6-11俘获在QUIC磁阱中的原子云

图6-12蒸发冷却到1.15uK的原子云

——经过蒸发冷却，当磁阱中原子为1.2*105时，我们成功地实现了BEC，BEC相转变温度为4400nK。相关吸收成像图如下：

图6-13左图：蒸发到1.005M时的原子云，没有BEC原子，右图：是蒸发到1.000M时的原子云，中间的尖峰是BEC波函数

2.超高灵敏度光泵铷原子磁场计实验

搭建了一套超高灵敏度光泵铷原子磁场计装置。观察到的磁场dispersion信号的线宽为3950nT。如果配合锁相放大器和光弹调制器构成的精密偏振测量系统，将能实现10-6-10-8的分辨率，对应于10-12T的磁场计灵敏度。这个灵敏度是目前没有良好磁屏蔽条件下的磁场计灵敏度极限。
本装置有以下几个创新点：

1 这是国内首台高灵敏度光泵碱金属磁场计。
2 我们使用了自主研发的激光器系统，大大降低了系统搭建的成本。
3 我们自制了5ppm精度的电流源，低噪声光电探测器等相关电光设备，为将来的系统升级和集成打下了坚实的技术基础。

成果内容简介：

1.光泵铷原子磁场计的灵敏度

光泵原子磁场计的量子极限灵敏度为

其中为旋磁比，为普朗克常数，均为常数。为自旋大小，电子自旋比核自旋大3个数量级，所以基于碱金属系原子（钾，铷，铯等）的光泵原子磁场计比基于核自旋的氦磁场计灵敏度要高。为蒸汽室中的总原子数，为探测时间，这两项分别受限于探测器体积和带宽。为原子磁矩相干时间，这是光泵原子磁场计灵敏度的主要限制。我们的铷蒸气室采用了缓冲气体来大幅度降低铷原子核室壁碰撞频率，提高原子的自旋相干时间。

2.激光系统

激光分泵浦光和探测光两个部分。其中泵浦光是铷原子D2线的共振光。由一个饱和吸收光谱锁频的种子光和一台注入锁定激光器组成。种子光从BEC实验装置通过一根单模光纤传输而来。这种做法节省了一套激光锁频系统，大大降低了成本。注入锁频激光的存在可以一方面大大提高泵浦激光可用的功率，同时可以用反馈环调节激光管电流来稳定激光器输出功率。和常用的声光调制器方法相比，可以节省很多成本，同时降低光路的复杂性。探测光由一台Toptica DL-DFB二极管激光器和注入锁定从激光构成。注入锁定从激光的目的和泵浦光相同。DFB激光器有很宽的mode hopping free输出波长条件范围，使我们可以方便灵活地条件探测光的波长，以获得做好的信噪比。激光系统的实物照片见图6-14

图6-14 激光器部分

3.铷蒸气室和加热系统

作为磁场探测的传感器部分，铷蒸气室中的铷原子需要合适的密度，这是通过控制蒸气室的温度来控制的。铷蒸汽室被密封在一个盒子里，盒子里通入热空气来控制蒸汽室的温度。同时为了降低热空气对光路的微小扰动，内部真空的玻璃管被用来防止热空气流过光路。铷蒸气室和加热系统以及抵消地磁场的亥姆霍兹线圈实物照片见图2-6-15。

图2-6-15 图中红白黄色亥姆霍兹线圈中央的白色塑料盒为包围铷蒸气室的盒子，热空气被送到盒中加热铷蒸气室到合适的温度。

4.实验结果

实验上我们看到了很好的磁场计线型，其峰峰之间的线宽是500nT，见图2-6-16，和理论计算基本符合，见表2。注意磁场计信号展宽的主要机制是泵浦和探测光光强，如果我们合理地优化这两个参数，磁场计线宽还可以降低1到2个数量级。当然，泵浦和探测光光强太弱会带来散粒噪声，我们将在今后的实验中进一步优化相关参数。需要指出的是，背景环境的磁场噪声和飘移现在成了提高磁场计分辨率的决定因素，下一步我们将努力降低背景磁场噪声。

图6-16 磁场计信号

表2 各种增宽机制对应的增宽量