基于飞秒光学频率梳实现超冷分子量子态精密相干操控的研究

The preparation and manipulation of quantum states are the basis for the quantum information processing. The rich ro-vibrational structures and the controllable dipole-dipole interaction of the ultracold molecules provide a new choice for quantum computation. The broadband, phase-stabilized femtosecond optical frequency comb provides a new possibility for quantum state coherent control. This project will use ultracold molecules as qubit carrier, study the manipulation of molecular quantum state, which is the international hotspot and difficult issues of this field. Using the photoassociation and cascade spontaneous emission to obtain absolutely ground state ultracold molecules, the molecular quantum state with long coherent time is achieved by loading the sample into an optical dipole trap. The quantum coherent control between arbitrary ro-vibrational levels are realized by stimulated raman adiabatic transfer process, which is performed by using two phase-coherent femtosecond lasers from the shaping of the femtosecond optical frequency comb. We will study the transient dynamic process in the coherent control process, propose a new scheme for constructing molecular logic gate based on optical frequency comb. This work plays an important role in establishing a new precise quantum control technology.

量子态的制备和操控是进行量子信息处理的基础。超冷分子由于具有丰富的振转能级结构和可操控的偶极-偶极相互作用，成为量子计算的一种新载体。宽频带、相位恒定的飞秒光学频率梳为实现量子态相干操控提供了一种新的可能。本项目将基态超冷分子作为量子比特载体，围绕超冷分子量子态精密相干操控这一国际热点和难点问题进行研究，通过光缔合和级联自发辐射获得绝对基态超冷分子，将其高效装载在光学偶极阱中实现长相干作用时间的分子量子态制备，利用脉冲整形系统将飞秒光学频率梳整形为两束位相相干恒定的飞秒激光，之后作用在超冷分子量子态上，采用受激拉曼绝热转移机制，实现振转能级可控的超冷分子量子态相干操控。研究相干操控过程中的超冷分子的瞬态动力学，探索基于飞秒光学频率梳进行超冷分子量子态逻辑门的操作。这些研究工作对于建立全新的精密量子调控技术具有重要的意义。

寻找一种高相干转移率、大范围、快速寻址的相干操控量子态的方法是实现可控量子态制备的一个重要环节。本项目将基态超冷分子作为量子比特载体，使用飞秒光学频率梳实现了分子量子态的精密相干操控。使用偏振梯度冷却与暗磁光阱技术协同制备低温密集原子团，采用短程光缔合技术制备了高产率绝对基态超冷分子，将其高效装载在光学偶极阱中提高相干作用时间。使用双液晶空间光调制器和光栅阵列组成的多维脉冲整形系统，实现了飞秒光学频率梳脉冲输出的幅度和相位整形。使用两束相位相干、频率对应于不同分子能级跃迁的脉冲光进行受激拉曼绝热转移，实现了超冷分子量子态振转能级的相干操控。通过脉冲整形系统参数调节实现飞秒激光脉冲的幅度、相位优化，实现了分子量子态相干转移过程的精密操控。该研究将超冷分子作为量子态的优势与飞秒光学频率梳的高精密可控性有机结合，利用飞秒光学频率梳相位恒定、频率可选择、带宽大的优势，克服了传统量子相干操控过程中转移效率低、转移选择性差的局限性，实现了高效、可选择性强的分子量子态相干操控。本项目的研究结果可为基于分子量子态操控的量子逻辑门、量子纠缠的研究提供重要的理论基础和技术支持。