基于囚禁离子的转动与振动量子精密测量实验研究

The trapped ion system suspended in the ultra-high vacuum environment is currently one of the most suitable systems for quantum computation and quantum metrology. We propose a quantum metrology study based on trapped ions, which realizes extremely high-precision rotation and vibration measurement through the spin-motion quantum state manipulation of trapped ions and the Ramsey interference. These measurements can all be performed simultaneously in the same trapped ion system by high-speed laser pulses and quantum coherence operations. Gyroscopes and accelerometers based on this will have significant advantages in small-scale integration and various applications including inertial navigation, earth rotation rate measurement, and gravitational wave measurement..We will first explore and optimize quantum metrology schemes of rotation and vibration based on trapped ions both theoretically and experimentally. With extensive experience of atomic molecular theory and ion trap experiment technology, then several topics will be studied: increasing stability and quantum coherence time of Yb ions, improving the precision of quantum coherence manipulation, eliminating the errors from micro-motion by analyzing the interaction between ions and so on. Finally we will design a practical and high-sensitivity quantum metrology scheme of rotation and vibration, and conduct corresponding experimental tests.

悬浮在超高真空环境中的囚禁离子系统是目前可用于量子计算与量子精密测量最为合适的系统之一。本项目研究基于囚禁离子的量子精密测量技术，通过对囚禁离子的自旋-运动量子态操控与Ramsey干涉实现极高精度的转动与振动测量。而这些测量都可以在同一个囚禁离子系统中，通过高速的激光脉冲与量子相干操作来同时实现。在此基础上实现的陀螺仪、加速度计将在小型集成化及与之相关的惯性导航、地球自转速率测量、引力波测量的应用中具有明显的优势。.本项目计划先从理论上探索和优化基于囚禁离子的转动与振动量子精密测量设计方案，然后通过实验进行演示，并结合项目组在原子分子理论和离子阱实验技术的丰富经验，在提高Yb离子稳定性、延长量子相干时间、提高量子相干操控的精度、分析离子间相互作用、消除微运动等因素带来的误差等方面进行研究，最终提出可实用的紧凑型高灵敏度转动与振动量子精密测量设计方案，完成实验测试并力争达到设计的灵敏度指标。

本项目计划包括搭建多离子的囚禁离子系统，并在此基础上实现转动的量子精密测量，以及振动的量子精密测量。其中搭建多离子的囚禁离子系统部分已全部完成，具体完成内容包括搭建真空系统，离子阱的加工与组装，激光系统的稳频与光路，装载离子与基本测试，脉冲Raman激光系统，多离子测试等。在转动的量子精密测量研究方面，我们实现了关键的自旋相关推移操作并进行了大量的实验优化尝试。在振动的量子精密测量研究方面，我们实现了关键的量子拉比模型探针以及量子锁相放大，并基于量子锁相放大技术优化了系统的相干时间。项目还完成了新的刀锋型离子阱系统的设计、加工、组装与测试，实现了10个左右离子在常温与高阱频下的稳定囚禁；设计的用于低温闭循环制冷机内的囚禁离子系统已经完成了组装和初步测试；完成了多离子独立探测与操控系统的升级改进，具备了对4个离子独立探测与操控的能力；在同一个离子阱中实现了镱171离子和钙40离子的混合囚禁，具备了进一步测试协同冷却等方案的条件。项目重要结果包括完成了可用于量子增强精密测量的PT对称非厄米模型的量子模拟，设计实现了多能级上的的偏振选择量子态耗散方案，首次在囚禁离子系统中模拟了具有宇称时间反演对称性的非厄米模型，并成功测量了包括相干项在内的完整动力学演化过程；实现了高性能的直接出光紫外激光同时稳频系统，通过双色原子蒸汽和微型极低漂移传递腔实现对多个紫外激光波长的同时锁定等。