CN111049592A - 里德堡原子拉比振荡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种里德堡原子拉比振荡装置及方法，其方法包括：S1、分别打开探测光和耦合光通过里德堡原子拉比振荡装置将原子由基态激发到里德堡原子态；S2、绝热关断耦合光并等待一时间间隔；S3、打开耦合光，原子跃迁到激发态，并且受到步骤S2中存储时间的影响，激发态跃迁到基态并放出一个光子。本公开制备的里德堡原子单光子制备以及高保真多光子探测拥有超过普通原子的作用，在量子通信领域将拥有广大的应用前景。

Description

里德堡原子拉比振荡装置及方法

技术领域

本公开涉及量子信息领域，尤其涉及一种里德堡原子拉比振荡装置及方法。

背景技术

超原子在量子信息领域具有很大的应用前景，因为它与光的相互作用强于普通原子与光的相互作用，能够用来实现制备单光子源以及高保真多光子探测器。

目前研究大多是普通原子，并没有关于超原子领域的深入研究，如何利用超原子能够显著提高原子吸收光的效率，未来将会有更大的应用前景。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种里德堡原子拉比振荡装置及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种里德堡原子拉比振荡装置，顺次设置包括：第一二向色镜、第一透镜、铷原子、第二透镜、第二二向色镜；

探测光顺次通过第一二向色镜和第一透镜传输至铷原子；

耦合光传输方向与探测光相反，顺次通过第二二向色镜和第二透镜传输至铷原子。

在本公开的一些实施例中，还包括磁光阱，所述铷原子设置于磁光阱中，用于减小原子间的热运动，去除由于多普勒效应带来的非均匀加宽。

在本公开的一些实施例中，还包括单光子探测器，用于探测读取出的单光子信号；所述单光子探测器设置于所述第二二向色镜一侧，所述第二二向色镜另一侧设置有上述第二透镜。

在本公开的一些实施例中，还包括干涉滤光片，设置于所述第二二向色镜与所述单光子探测器间，用于滤去噪声。

在本公开的一些实施例中，所述第一二向色镜用于通过所述探测光并反射所述耦合光；所述第二二向色镜用于反射所述耦合光并透过所述探测光。

在本公开的一些实施例中，经所述第二二向色镜反射的所述耦合光与所述探测光重合且反向传输。

根据本公开的一个方面，还提供了一种利用如前所述的装置进行里德堡原子拉比振荡的方法，包括步骤：

S1、分别打开探测光和耦合光通过里德堡原子拉比振荡装置将原子由基态激发到里德堡原子态，探测光单光子被原子吸收，单光子探测器未探测到单光子信号；激发到里德堡原子态的里德堡原子为

其中N_m为阻塞半径R内的原子数，Δk为耦合光与探测光波矢之差；

S2、绝热关断耦合光并等待Δt的时间间隔，Δt为存储时间；

S3、打开耦合光，原子跃迁到激发态

并且受到步骤S2中存储时间的影响，激发态跃迁到基态

并放出一个波矢为k_p的光子，该光子与步骤S1中吸收的光子传播方向相同，转换效率为η，即

在本公开的一些实施例中，在步骤S3后还包括步骤：

S4、|R_m>与|E_m>之间的拉比频率为

其中，

为单个原子与光相互作用时的拉比频率。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S1中还包括子步骤：

S11、分别打开探测光和耦合光，探测光顺次通过第一二向色镜和第一透镜传输至铷原子；耦合光顺次通过第二二向色镜和第二透镜传输至铷原子；

S12、耦合光反向传输并通过第二透镜和第二二向色镜，与探测光一起，将原子由基态激发到里德堡原子态，同时将探测光单光子存储于原子系综中。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开里德堡原子拉比振荡装置及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开制备的里德堡原子单光子制备以及高保真多光子探测拥有超过普通原子的作用，在量子通信领域将拥有广大的应用前景。

(2)本公开中使用磁光阱制备冷原子团，减小了原子之间的热运动，去除了由于多普勒效应带来的非均匀加宽。

(3)本公开中在单光子探测器前加装干涉滤光片，可以减小噪声对探测效果的影响。

附图说明

图1为本公开实施例里德堡原子拉比振荡装置示意图。

图2为本公开实施例存储过程能级与激光作用图。

图3为本公开实施例存储过程的时序图。

图4为在耦合光拉比频率不同时，恢复出的波包随时间的图像。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-第一二向色镜；

2-第一透镜；

3-铷原子；

4-第二透镜；

5-第二二向色镜；

6-干涉滤光片；

7-单光子探测器；

10-探测光；

20-耦合光。

具体实施方式

本公开提供了一种里德堡原子拉比振荡装置及方法，其方法包括：S1、分别打开探测光和耦合光通过里德堡原子拉比振荡装置将原子由基态激发到里德堡原子态，探测光单光子被原子吸收，单光子探测器未探测到单光子信号；S2、绝热关断耦合光并等待一时间间隔；S3、打开耦合光，原子跃迁到激发态，并且受到步骤S2中存储时间的影响，激发态跃迁到基态并放出一个光子。本公开制备的里德堡原子单光子制备以及高保真多光子探测拥有超过普通原子的作用，在量子通信领域将拥有广大的应用前景。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种里德堡原子拉比振荡装置。图1为本公开实施例里德堡原子拉比振荡装置示意图。如图1所示，本公开提供的里德堡原子拉比振荡装置，顺次设置包括：第一二向色镜、第一透镜、铷原子、第二透镜、第二二向色镜、干涉滤光片和单光子探测器。探测光顺次通过第一二向色镜和第一透镜传输至铷原子；耦合光传输方向与探测光相反，顺次通过第二二向色镜和第二透镜传输至铷原子后，耦合光经过第二二向色镜的反射与探测光重合顺次通过第二透镜和第二二向色镜、干涉滤光片和单光子探测器。其中，所述铷原子设置于磁光阱中，用于减小原子间的热运动，去除由于多普勒效应带来的非均匀加宽。本公开中第一二向色镜用于通过所述探测光反射耦合光，第二二向色镜用于反射所述耦合光透过探测光。如图1所示，通过单光子存储过程在冷原子团中制备超原子的光路图，其中原子团为被困于磁光阱中的铷原子，温度约为20μK，原子团尺度500μm，原子团中心密度约为10¹¹cm^-3。通过透镜聚焦，探测光打到原子团上时束腰半径为15μm。探测光与耦合光相向传播。

在本公开的第一个示例性实施例中，还提供了一种利用里德堡原子拉比振荡装置进行里德堡原子拉比振荡的方法，包括：

步骤S1、分别打开探测光和耦合光通过里德堡原子拉比振荡装置将原子由基态激发到里德堡原子态，探测光单光子被存入原子系综中，探测光单光子被原子吸收，单光子探测器未探测到单光子信号；激发到里德堡原子态的里德堡原子为

其中N_m为阻塞半径R内的原子数，Δk为耦合光与探测光波矢之差。

具体的，步骤S1包括：

子步骤S11、分别打开探测光和耦合光，探测光顺次通过第一二向色镜和第一透镜传输至铷原子；耦合光顺次通过第二二向色镜和第二透镜传输至铷原子；

子步骤S12、耦合光反向传输顺次通过第二透镜和第二二向色镜，与探测光一起，将原子由基态激发到里德堡原子态，同时将探测光单光子存储于原子系综中；

步骤S2、绝热关断耦合光并等待Δt的时间间隔，Δt为存储时间。需要说明的是，间隔时间是存储时间，是衡量存储好坏的指标之一。

步骤S3、打开耦合光，之前存入到原子系综中的探测光光子被读出，读出来的光子和存进去的光子传播方向一样，光强有差别，恢复出来的光子的光强与原光子光强的比值为存储效率，也是一个指标。具体的，原子跃迁到激发态

并且受到步骤S2中存储时间的影响，激发态跃迁到基态

并放出一个波矢为k_p的光子，该光子与步骤S1中吸收的光子传播方向相同，转换效率为η，即

步骤S4、|R_m>与|E_m>之间的拉比频率为

其中，

为单个原子与光相互作用时的拉比频率。

需要理解的是，本公开涉及原子的三个能级|1>，|2>，|3>，其中|1>，|2>之间有探测光，|2>，|3>之间有耦合光。当耦合光不存在时，原子团直接吸收探测光；耦合光存在时，原子团色散性质被改变，探测光不再被原子团吸收，同时探测光的群速度被减慢且探测光的脉冲在原子团中被大大压缩，压缩比为c/v_g，c为真空中光速，v_g为探测光群速度。当耦合光绝热关断时，探测光群速度减为0，被压缩的探测光被转移为原子内态。经过一段时间，再打开耦合光，探测光会直接从原子内态中读取出来，完成探测光的被存储过程。图2为本公开实施例存储过程能级与激光作用图。如图2所示，所选用能级为阶梯型三能级，其中|g〉＝|5S_1/2，F＝3>，|e>＝|5P_3/2，F′＝4>，|r>＝|50D_5/2〉，Ω_p和Ω_c分别为探测光和耦合光的拉比频率，Δ_p和Δ_c分别为探测光与耦合光的失谐。对于单个原子与光子相互作用的过程，写入过程探测光将原子从基态|g>激发到激发态|e〉，耦合光将原子激发到里德堡态|r>，之后绝热关断耦合光，读出过程为打开耦合光，原子便从里德堡态|r>跃迁到激发态|e>，然后再从|e>跃迁到|g>态，与自发辐射不同的是存储读出的光子的波矢与写入过程中的波矢方向相同。

还需要进一步说明的是，里德堡原子由于相互作用强，具有一种特殊的性质，即阻塞效应，它是指若有一个原子被激发到里德堡态，这个处于里德堡态的原子便会通过相互作用改变周围处于半径R内球体中的原子的能级，半径R为阻塞半径。这样对于与里德堡原子距离小于半径R的所有原子可看成一个集体，当被激发时，它们处于一个叠加态，这个叠加态为这些原子中有一个原子处于里德堡态，即

形成超原子后，原子与光的相互作用会进一步加强，并展现出超越经典原子的性质。例如，对于单个普通原子，要想实现对于单个光子吸收概率大于50％，需要对光子波包的形状以及光子打到原子上的时间严格控制，但是对于超原子，它吸收光子的概率正比于N/(N+1)，因此要求并没有普通原子严格。利用这些性质，可以用来制备单光子，实现高保真度的n光子探测，在量子信息领域将具有非常广泛的应用。图3为本公开实施例存储过程的时序图，图中上半部分的方波信号为耦合光，另一信号为探测光。如图3所示，Δt代表存储时间，即耦合光关断的时间。图3中下半部分为存储之前的探测光单光子信号以及存储后恢复出来的探测光单光子信号，可以看出回复出来的探测光单光子信号存在拉比振荡。图4为在耦合光拉比频率不同时，恢复出的波包随时间的图像。如图4所示，里德堡原子间的拉比振荡频率随着时间增加逐渐减小。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开里德堡原子拉比振荡装置及方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种里德堡原子拉比振荡装置及方法，能够实现的里德堡超原子的制备以及超原子之间的拉比振荡。本公开在量子通信领域将拥有广大的应用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种里德堡原子拉比振荡装置，顺次设置包括：第一二向色镜、第一透镜、铷原子、第二透镜、第二二向色镜；

探测光顺次通过第一二向色镜和第一透镜传输至铷原子；

耦合光传输方向与探测光相反，顺次通过第二二向色镜和第二透镜传输至铷原子。

2.根据权利要求1所述的里德堡原子拉比振荡装置，其中，还包括磁光阱，所述铷原子设置于磁光阱中，用于减小原子间的热运动，去除由于多普勒效应带来的非均匀加宽。

3.根据权利要求1所述的里德堡原子拉比振荡装置，其中，还包括单光子探测器，用于探测读取出的单光子信号；所述单光子探测器设置于所述第二二向色镜一侧，所述第二二向色镜另一侧设置有上述第二透镜。

4.根据权利要求3所述的里德堡原子拉比振荡装置，其中，还包括干涉滤光片，设置于所述第二二向色镜与所述单光子探测器间，用于滤去噪声。

5.根据权利要求1所述的里德堡原子拉比振荡装置，其中，所述第一二向色镜用于通过所述探测光并反射所述耦合光；所述第二二向色镜用于反射所述耦合光并透过所述探测光。

6.根据权利要求1所述的里德堡原子拉比振荡装置，其中，经所述第二二向色镜反射的所述耦合光与所述探测光重合且反向传输。

7.一种利用如权利要求1-6中任一项所述的装置进行里德堡原子拉比振荡的方法，包括步骤：

S1、分别打开探测光和耦合光通过里德堡原子拉比振荡装置将原子由基态激发到里德堡原子态，探测光单光子被存入原子系综中，单光子探测器未探测到单光子信号；激发到里德堡原子态的里德堡原子为

其中N_m为阻塞半径R内的原子数，Δk为耦合光与探测光波矢之差；

S2、绝热关断耦合光并等待Δt的时间间隔，Δt为存储时间；

S3、打开耦合光，原子跃迁到激发态

并且受到步骤S2中存储时间的影响，激发态跃迁到基态

并放出一个波矢为k_p的光子，该光子与步骤S1中吸收的光子传播方向相同，转换效率为η，即

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在步骤S3后还包括步骤：

S4、|R_m>与|E_m>之间的拉比频率为

其中，

为单个原子与光相互作用时的拉比频率。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述步骤S1中还包括子步骤：

S11、分别打开探测光和耦合光，探测光顺次通过第一二向色镜和第一透镜传输至铷原子；耦合光顺次通过第二二向色镜和第二透镜传输至铷原子；

S12、耦合光反向传输并通过第二透镜和第二二向色镜，与探测光一起，将原子由基态激发到里德堡原子态，同时将探测光单光子存储于原子系综中。

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