纳米光纤光场中超冷极性分子链制备及量子态的相干操控

The completely coherent manipulation of ultracold polar molecules is the basis and key point of quantum simulation by utilizing ultracold polar molecules. This project will realize the coherent production and transfer of one-dimension ultracold polar molecule quantum state, and coherent manipulation of entangled state in a new style optical field based on nanofiber. The detailed contents of this project are listed below. 1）Research dynamic process of nanofiber optical field and ultracold polar molecules, realize one-dimension optical lattice trap of ultracold polar molecules. 2）Research the new characteristics, new phenomenon, new physics of optical coherent control technique in one-dimension polar molecule system, realize the coherent production of one-dimension polar molecule quantum state. 3）Research the interaction between polar molecule quantum state and microwave in nanofiber optical field, realize coherent transfer of polar molecule quantum state and production of entanglement state. The accomplishment of this project can illuminate the interaction mechanism of nanofiber optical field and ultracold polar molecule quantum sate in low-dimension quantum system, and provide experimental technique using the one-dimension polar molecule chain in quantum simulator.

实现超冷极性分子量子态的完全相干调控是利用超冷极性分子进行量子模拟研究的基础和核心内容。本项目利用基于纳米光纤光场实现一维超冷极性分子量子态的相干制备、相干转移及纠缠态的相干调控。具体内容包括：1）研究纳米光纤光场与超冷极性分子装载的动力学过程，实现超冷极性分子的一维光晶格俘获；2）研究光学相干控制技术在一维极性分子系统中的新特征、新现象和新物理，实现一维超冷极性分子量子态的相干制备；3）研究纳米光纤光场中极性分子量子态与微波的相互作用，实现超冷极性分子量子态的相干转移和纠缠态的相干调控。上述研究内容的实现可以推动低维量子体系中超冷极性分子量子态与纳米光纤光场的相互作用机制的研究，为研制一维极性分子链在量子模拟器中的应用提供实验技术。

量子信息科学是近年来量子光学、光信息科学与计算机科学相结合而发展起来的一门新兴前沿科学，在涉及国家安全、经济发展与社会进步等诸方面有着难以估量的应用前景和重要意义。实现超冷极性分子量子态的完全相干调控是利用超冷极性分子进行量子模拟研究的基 础和核心内容。项目利用基于纳米光纤光场实现一维光晶格制备，进而进行超冷极性分子量子态的相干制备、相干转移及相干调控。课题组以纳米光纤光晶格制备、超冷原子分子晶格装载、基态超冷分子的制备与外场操控为核心展开了一系列实验工作，成功搭建了纳米光纤的超高精度拉锥系统。采用935nm红失谐驻波场和蓝失谐光 688.1nm、688.5nm行波场构建魔术波长光晶格，形成一维晶格阵列，并实现了原子分子的俘获。实验测量了RbCs在2 (0−)长程态下的高分辨率光缔合光谱。使用有效哈密顿量分析了长程2 (0−)和3(1)态的微扰引起的能级迁移和态混合，实验确定的振转结构和去微扰分析为寻找有效生产基态超冷RbCs分子的新方案提供了关键信息，通过对B 1Π1态产生基态分子的详细研究，优化光缔合光的功率和光电离 光的能量后，得到X 1Σ + (v=0)最低振动态超冷分子的产率为1.5×10^4 /s。首次在光缔合制备的超冷极性分子体系中实现了转动量子态的微波相干操控。采用微波脉冲实现了v=0最低振动态相邻转动量子态(J=1和J=2)的相干操控，观察到J=1转动态分子布居数的拉比振荡。获得的微波光谱精度比损耗光谱精度高三个数量级。最终实验得到了不同电场强度下分子的能级分裂值与有效电场强度的关系，通过拟合得到基态85Rb133Cs分子的永久电偶极矩为1.266(15)D，该数值与有关RbCs分子永久电偶极矩的理论计算一致。实验结果在超冷化学、精密测量、量子模拟和量子计算等方面有重要应用价值。