非谐阱中囚禁离子亚多普勒冷却的理论研究

As a new style of ion trap, the anharmonic trap introduces some higher-order terms in the longitudinal direction of the ions' trapping potential, which makes the potential have a more flatter bottom and the ions have a nearly uniform neighboring distance, thus avoiding the zig-zag phase transition when the ion number is large for the harmonic trap case. Because the ions in the anharmonic trap have a more complex dynamic process and a nonlinear motional spectrum, the existing sub-Doppler cooling schemes cannot be directly applied to the deep cooling of the longitudinal modes of the ions' motion. In this project, we will consider the effects of the higher-order potential terms and construct the physical model of the laser cooling in the anharmonic trap. By introducing the more flexible adjusting means of the laser frequencies and some new feedback control mechanisms, we will improve the two typical kinds of existing sub-Doppler cooling schemes, i.e., sideband cooling and feedback cooling, make them have the better applicability in the anharmonic trap. These study can not only provide the theoretical and technical basis for the accurate quantum-state manipulation of large-scale ion array in the anharmonic trap, but also help to push many research areas (e.g. quantum optics and quantum metrology) forward.

作为一种新型的离子阱构型，非谐阱在离子纵向运动方向上引入了高次势能项，使囚禁势的形状在底部更为平坦，这样就保证了离子在阱中均匀排列，克服了谐势阱中离子数目增多时的"之"字形相变（zig-zag phase transition）问题。由于非谐阱中离子的动力学过程有更为复杂的形式，运动能谱中也引入了一定的非线性，已有的亚多普勒冷却技术并不能直接应用于非谐阱中离子纵向运动模式的深度冷却。本项目旨在考虑高次势能项的影响，建立非谐阱中离子冷却的物理模型，通过引入更为灵活的激光频率调节方式以及新的反馈机制，对适用于谐势阱的具有代表性的边带冷却、反馈冷却两类方案分别进行适当改进，使之适用于非谐阱中离子的亚多普勒冷却。相应研究不但可以为非谐阱中大规模离子精确的量子态操控提供理论和技术积累，同时也将对量子光学、量子度量学等研究方向起到积极的推动作用。

离子冷却是进行囚禁离子量子操控必不可少的关键技术。本项目深入研究了谐势阱以及非谐阱中低激发声子态离子的不同亚多普勒冷却方法，包括在边带冷却基础上发展而来的量子相干冷却、基于量子反馈原理的反馈冷却、腔诱导透明效应辅助的快速冷却；在此基础上将相应的冷却机制推广到纳米机械振子冷却的领域。同时根据项目的实际研究进展和课题组的实际研究情况，我们还进行了量子系统中簇态和连续变量纠缠态制备的相关研究，并且开展了囚禁离子冷却的实验研究。. 主要成果有：. （1）量子相干性和反馈原理在囚禁离子亚多普勒冷却中的应用：提出了利用路径相干相消冷却单个囚禁离子低于单光子反冲极限的量子相干冷却方案；提出了双离子串的亚多普勒反馈冷却方案。适用于谐势阱中离子以及非谐阱中低激发声子态离子的亚多普勒冷却过程。. （2）利用CIT效应来加速离子冷却的速度：提出了利用腔诱导透明实现腔中囚禁离子的相干冷却方案，方案同样适用于谐势阱中离子以及非谐阱中低激发声子态离子的亚多普勒冷却。. （3）非谐芯片阱上离子冷却和输运的一些实验结果：在实验室非谐芯片阱囚禁离子装置上也开展了一些初步的实验研究，得到了离子冷却和输运的一些实验结果。. （4）囚禁离子冷却方法在光机械振子冷却领域中的推广应用：发现离子冷却动力学的某些特征与其他的系统有一定的相似性，成功的将囚禁离子的相干冷却方法推广到腔中的原子体系和纳米机械振子系统中,讨论和探索了这类量子谐振子系统中相干冷却的可行性。. （5）量子系统中簇态和连续变量纠缠态的制备方案：设计了直接用 XY 型交换作用制备超导磁通量子位簇态的理论方案；我们研究了连续模式光纠缠通过滤波函数得到离散光脉冲纠缠过程的物理机理，计算了光脉冲纠缠度大小与滤波函数形式之间的依赖关系。. 以上成果能够促进离子深度冷却的进一步研究，对于囚禁离子量子计算研究的发展乃至其他物理系统冷却机理的深入研究都有较好的推动作用。