量子逻辑光谱学中离子退相干机制的研究

基于量子逻辑技术的精密激光光谱学有效地解决了很多离子由于缺乏合适的冷却激光而无法对其跃迁谱线进行精密测量的难题。实现量子逻辑高保真度运行的一个主要障碍是囚禁离子的退相干影响，其退相干机制经过多年研究理论与实验仍有极大偏差。在本项 .目中，我们选择镁离子作为退相干机制的探测离子，优化设计低离子内在升温率的离子阱，在保证离子内在升温率不影响对各种退相干机制精密测量的前提下，改变各种实验参数，系统地研究离子的各种主要退相干机制，包括电子噪声和表面电势的影响，争取解决多年来理论与实验不符的难题。通过本项目的成功实施，可进一步推广出一个基于量子逻辑技术的精密测量平台，为粒子物理标准模型检验提供关键数据。此外，本项目对光频标的研究也具有重大意义。

铝离子光频标具有最小的黑体辐射频移，是下一代秒定义的有力竞争者。由于缺乏直接冷却激光，目前铝离子光频标只能通过量子逻辑技术实现。本项目是基于量子逻辑技术的铝离子光频标的前期研究项目。为了实现基于量子逻辑技术的铝离子光频标需要选择合适的逻辑离子来协同冷却铝离子以及通过量子逻辑操作来探测铝离子内部量子态。实现量子逻辑高保真度运行的一个主要障碍是逻辑离子的退相干影响，其中离子内在升温率起到重要贡献。过高的内在升温率会影响离子量子态的保真度以及可用于量子相干操控的时间。在本项目中，我们选择镁离子作为退相干机制的探测离子，主要研究了减小离子内在升温率的方法，包括优化离子阱设计参数、降低电子噪声等。在研究离子阱驱动电路的过程中，提出了新的模型来预测带离子阱负载后驱动电路的Q值和共振频率，实验结果与理论模型吻合的很好。该研究成果发表在Rev. Sci. Instrum.上。理论上研究了如何降低离子阱电场的高阶项。提出了一种改进型的刀片阱，可以在保证大通光角度的情况下减小高阶项，该研究成果发表在J. Appl. Phys.上。在降低电子噪声方面，通过对离子阱真空系统内部和外部加装电子滤波电路，有效地降低了电子噪声的影响。实验上搭建了离子阱真空系统，实现了镁离子280纳米冷却激光的长期锁定，将1120纳米的种子激光器的频率漂移从自由运转时144 MHz/h压制到最大120 kHz/h，研究结果发表在Rev. Sci. Instrum.上；实现了镁离子的冷却、囚禁以及微运动补偿的自动化控制；实现了快速有效的拉曼边带冷却镁离子到振动基态，基态布居数达到93%；利用边带与载波幅度比随时间的变化，测量出离子加热率在几十个声子每秒的范围，达到国际先进水平。项目的顺利结题对下一步实验室实现铝离子光频标打下了坚实的基础。项目资助期间共毕业5名硕士研究生，发表了4篇SCI文章，5篇会议论文，参加了11次国内外学术交流会议，同时与国外多家单位开展了广泛的学术合作。