微波诱导超冷极性分子的内态转移及其在一维光格子中的纠缠操控

The preparation of quantum state and manipulation of quantum entanglement are the foundation of quantum information processing. Ultracold polar molecules have the permanent electric dipole moment and the controllable long range dipole-dipole interaction, which enable them to act as an effective storage medium of quantum state. This project will be based on ultracold polar molecules as the experimental platform, and use ultracold polar molecules as qubit carrier, then study the dipole-dipole interaction and achieve entanglement control between the molecules, which is the international hotspot and difficult issues of this field. Using the photoassociation and two-photon-cascade spontaneous emission to obtain pure ground state RbCs ultracold polar molecules, with the preparation of the sample of ultracold polar molecules in a one-dimensional optical lattice, we will study the transfer mechanism between the rotational levels of the ground state under a microwave field and dipole-dipole interaction dynamics behavior under a gradient electric field. By precise control the internal state of ultracold polar molecules by the microwave field, we will study the decoherence process and the dipole-dipole interaction process, which are controlled by excitation of molecular internal state. This will result in the improvement of the efficiency of quantum entanglement manipulation. The preparation of quantum state and manipulation of quantum entanglement in a one-dimensional optical lattice will become an important technological breakthrough for the achievement of ultracold molecules as qubits unit.

量子态的制备和量子纠缠的操控是进行量子信息处理的基础，超冷极性分子因其具有的永久电偶极矩以及可控的长程偶极-偶极相互作用，成为一种有效的量子态存储介质。本项目将在基于超冷极性分子实验系统的基础上，将超冷极性分子作为量子比特载体，研究利用极性分子间的偶极-偶极相互作用实现分子间纠缠控制这一国际研究热点和难点问题。采用光缔合方法和级联自发辐射获得纯基态超冷RbCs极性分子，制备一维光格子中的超冷极性分子样品，研究在外加微波场作用下的基态转动能级间的转移机制和梯度电场作用下的偶极-偶极相互作用动力学行为。通过微波场精确操控超冷极性分子的内态，研究分子内态受控激发导致的偶极-偶极相互作用变化和退相干过程，从而提高量子纠缠的操控效率。一维光格子中分子量子纠缠态的制备与操控将成为超冷分子作为量子比特单元的重要技术突破。

量子态的制备和操控是进行量子信息处理的基础，超冷极性分子因其具有的永久电偶极矩以及可控的长程偶极-偶极相互作用，成为一种有效的量子态存储介质。项目在基于超冷极性分子实验系统的基础上，采用光缔合方法和级联自发辐射获得纯基态超冷 RbCs 极性分子，研究超冷分子基态转动能级间的微波跃迁光谱和超精细态转移机制以及电场作用下由于永久电偶极矩和分子极化而产生的相互作用机制。通过微波场精确操控超冷极性分子的内态，研究分子内态受控激发导致的偶极-偶极相互作用变化和退相干过程，从而提高量子态的操控效率。按照项目计划，课题组通过四年的研究工作，建立并完善了一套可有效制备稳定可操控的超冷极性RbCs分子的实验系统，形成能够广泛开展分子量子态制备和量子信息模拟的研究平台。获得了高效制备基态分子的中间态分子能级，采用光缔合方法和级联自发辐射获得纯基态超冷 RbCs 极性分子，发展了采用微波场耦合基态转动能级的方法，可以精确操控分子在基态各转动能级间的布局变化，实现对超冷铷铯分子在最低两振转能级间相干布居转移的快速高效的内态转移和相干操控。精确测量了基态分子的电偶极矩和分子转动常数。研究了受限空间中原子分子的碰撞动力学过程。另外，采用纳米光纤强束缚光场制备了一维光格子，测量了光格子的基本参数，采用魔术波长对超冷原子及分子进行装载。观察到一维光格子中原子的超辐射现象。光格子中超冷分子的可控装载为外场作用下的分子量子态操控提供了可靠平台，也为超冷分子作为量子比特单元提供了重要技术支持。项目执行期间共发表SCI 核心收录学术论文 20 篇，其中包括Phys. Rev. A、J. Chem. Phys.、Phys. Chem. Chem. Phys.、Opt. Express等SCI 高区论文10篇；授权国家发明专利共6项。