基于超冷极性分子系综的单光子量子信息处理

量子信息科学与技术在涉及国家安全、经济发展与社会进步等诸方面有重要意义。以光场和分子为信息载体的研究在量子信息的物理实现方面占有举足轻重的地位。可控单光子态的产生将会刷新量子光学的现有内容，将光与物质相互作用的物理内涵推向一个新的更高的层次。超冷分子系综的相干操控与量子信息储存的交叉结合将为原子分子物理赋予全新的科学意义。本项目将在超冷极性分子的实验系统的基础上，研究使用多种机制分别制备和操控稀薄与密集的超冷极性分子系综，研究其量子动力学性质。制备基于染料单分子荧光的频率可调谐的单光子态，研究微型光学腔对提高光与单分子相互作用以及压缩荧光带宽的作用。研究增强超冷极性分子相干操控的物理机制，以超冷极性分子、单光子等为信息载体，量子光学理论与激光光谱技术为基础，实现单光子在超冷极性分子系综中进行多通道并行量子信息处理的有效途径。

研究单光子量子态在超冷极性分子的多通道并行处理，可以为超冷极性分子芯片的制备提供理论基础和技术准备。在超冷原子实验平台的基础上，从理论和实验上得到制备超冷RbCs基态分子的最佳方案，研究使用多种机制制备和操控超冷极性分子系综，研究其量子动力学性质。制备基于染料单分子荧光的频率可调谐的单光子态。研究利用外场调控下超冷极性分子的动力学效应实现光量子信息存储与提取。以超冷极性分子、单光子等为信息载体，量子光学理论与激光光谱技术为基础，实现单光子在超冷极性分子系综中进行多通道量子信息的并行处理。.本项目利用光缔合和暗阱技术制备了超冷RbCs异核极性分子，实现了超冷异核分子的有效振转冷却，利用绝热转移提高合成超冷分子的产率与分子内态的操控；基三重态a3Σ+铷铯分子的产率约为2.5×10^4/s，分子温度约为10μK；测量了超冷极性分子的光缔合光谱，测得(2)^3ΠRbCs分子的电偶极矩为4.7±0.6 D。利用高灵敏的调制解调荧光光谱技术，获得了超高分辨的振转能级光谱信息，探测到了最低振转能级v = 0和v = 1。建成低温（～3K）单分子量子光学系统，在波长在734nm附近获得单光子量子态线宽50MHz，平均光子数20kHz。通过外加电场控制极性单分子电偶极矩取向，测量了电场诱导极性分子的激化动力学特性，实现对单分子荧光的单光子偏振态的操控。在超冷铷铯基态分子光学窗口734nm附近得到了多通道暗态，并产生了多通道EIT，进行了光量子态和多通道超冷铷铯分子系综的相互作用的研究。.研究成果发表SCI收录论文72篇，其中在《Physics Review Letters》，《Physics Review A》，《Appl. Phys. Lett.》，《Optics Letters》和《Phys. Chem. Chem. Phys.》等影响因子大于3的重要期刊上发表论文26篇；获得国家发明专利授权12项；获山西省科学技术奖自然科学类一等奖一项；项目组“光与原子分子相互作用的量子效应” 团队获批教育部创新团队。