密集超冷铯分子的制备及其布居相干操控

Research of the physical realization of quantunm information with ultracold molecular ensemble as a carrier has exerted tremendous impact on national security, economic development and social progress. The cross-linking of formation of ultracold molecules and coherent manipulating as well as quantum information processing has endowed the atomic and molecular physics with brand new scientific significance. This programm starts from trapping dense ultracold atoms samples in an optical dipole trap, with tunneling mechanism induced by the unique long-range double potential well, combined with stimulated Raman photoassociation and broadband optical pumping, and coherently control multiple light fields via an optical frequency comb, finally realize the aim of coherent formation of dense ultracold ground state molecules populated in low-lying rovibrational levls, then develop the research on coherent forming mechnisms of these molecules and the relative dynamic behaviors in population transferring process. the program will realize the aim of rapid and efficient control of population transferring of the low-lying vibrational levels in the dense ultracold ground state molecules by using of controlling coherently lasers, and investigate the physical mechanisms of interaction between multiple light fields and ultracold molecular ensemble in the process, and the influence of the coherent optical field on improving the population transferring efficiency. In addition, this program would continue to explore the effective approaches and experimental schemes of the preliminary quantum information processing based on the ultracold molecular system.

以超冷分子系综为载体的量子信息物理实现研究在涉及国家安全、经济发展与社会进步等诸方面有重要意义。超冷分子的制备和相干操控与量子信息处理的交叉结合将为原子分子物理赋予全新的科学意义。本项目旨在以光学偶极阱俘获密集超冷铯原子样品为起点，利用超冷铯分子独有的长程态双阱隧穿机制，采用受激拉曼光缔合和宽带光学泵浦相结合的实验方案，通过光学频率梳对多光场相干操控，实现密集的低振转基态超冷铯分子的相干制备，研究低振转基态超冷分子的相干制备机制和布居转移过程中的相关动力学行为。通过控制光场对密集的低振转基态超冷铯分子振转能级布居实现快速有效的相干操控，并研究该过程中光场与超冷分子系综相互作用的物理机制，以及相干光场对提高布居转移率的影响。同时探索基于超冷分子系统作为载体的初步量子信息处理的可能途径和实验方案。

在四年项目执行期间，课题组建立并优化了两套运行良好的超冷分子实验系统，解决了超冷分子密集相干制备中最优化能级选择的重要科学问题，掌握了多光场频率相干锁定与独立扫频的关键技术，实现了密集基态超冷分子的制备，完成了项目的计划内容，获得了预期的研究成果。发展增强的三维拉曼边带冷却技术，将超冷原子样品的温度冷却到1μK，使其在相干光场中的量子相干效应进一步增强，在磁悬浮交叉光学偶极阱中对预冷却的超冷铯原子实现了高密度与高效装载。同时，我们在双暗磁光阱中成功实现了超冷钠铯分子的光缔合制备。采用一系列高灵敏光谱技术，获得了超冷铯分子近离解限、长程远失谐区域等极限探测区域、以及超冷钠铯分子高激发态的高分辨光缔合光谱。利用发展的双光缔合光谱技术，精确测量了超冷铯分子不同振动态下的分子常数，以及超冷极性钠铯分子超精细能级结构的光致频移。同时，课题组发展了基于飞秒光学频率梳系统的宽带光谱精密选择技术，获得实验所需近红外光谱区域的宽带激光，利用超冷铯分子独有的长程态双阱隧穿机制，采用光缔合技术结合宽带光学泵浦，在光阱中相干制备了密集的基态超冷铯分子，利用飞行时间光谱技术探测得超冷基态铯分子样品分子数约8.2×105，温度约为 1.5μK，寿命约为 300ms。此外课题组研究了外磁场操控超冷原子-分子间的相互作用，实现了原子-分子系统中的量子态操控。采用Feshbach共振技术对超冷原子气体的光缔合进行操控，实现超冷铯分子系统量子态布居转移的快速有效调控，使超冷分子的产率提高了近70%。本项目为开展以振转基态超冷分子为介质的量子模拟、以及量子态操控方面的研究提供了强有力的技术支持。项目执行期间共计发表SCI收录学术论文26篇，其中包括Las. Phys. Lett.、J. Chem. Phys.、Phys. Rev. A、Opt. Lett.等SCI 高区论文 14篇；授权国家发明专利3项，出版“‘十二五’国家重点图书出版规划项目”著作图书1部。