量子邏輯光譜學中離子退相干機制的研究

《量子邏輯光譜學中離子退相干機制的研究》是依託華中科技大學，由陸澤晃擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：量子邏輯光譜學中離子退相干機制的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陸澤晃
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

基於量子邏輯技術的精密雷射光譜學有效地解決了很多離子由於缺乏合適的冷卻雷射而無法對其躍遷譜線進行精密測量的難題。實現量子邏輯高保真度運行的一個主要障礙是囚禁離子的退相干影響，其退相干機制經過多年研究理論與實驗仍有極大偏差。在本項 .目中，我們選擇鎂離子作為退相干機制的探測離子，最佳化設計低離子內在升溫率的離子阱，在保證離子內在升溫率不影響對各種退相干機制精密測量的前提下，改變各種實驗參數，系統地研究離子的各種主要退相干機制，包括電子噪聲和表面電勢的影響，爭取解決多年來理論與實驗不符的難題。通過本項目的成功實施，可進一步推廣出一個基於量子邏輯技術的精密測量平台，為粒子物理標準模型檢驗提供關鍵數據。此外，本項目對光頻標的研究也具有重大意義。

結題摘要

鋁離子光頻標具有最小的黑體輻射頻移，是下一代秒定義的有力競爭者。由於缺乏直接冷卻雷射，目前鋁離子光頻標只能通過量子邏輯技術實現。本項目是基於量子邏輯技術的鋁離子光頻標的前期研究項目。為了實現基於量子邏輯技術的鋁離子光頻標需要選擇合適的邏輯離子來協同冷卻鋁離子以及通過量子邏輯操作來探測鋁離子內部量子態。實現量子邏輯高保真度運行的一個主要障礙是邏輯離子的退相干影響，其中離子內在升溫率起到重要貢獻。過高的內在升溫率會影響離子量子態的保真度以及可用於量子相干操控的時間。在本項目中，我們選擇鎂離子作為退相干機制的探測離子，主要研究了減小離子內在升溫率的方法，包括最佳化離子阱設計參數、降低電子噪聲等。在研究離子阱驅動電路的過程中，提出了新的模型來預測帶離子阱負載後驅動電路的Q值和共振頻率，實驗結果與理論模型吻合的很好。該研究成果發表在Rev. Sci. Instrum.上。理論上研究了如何降低離子阱電場的高階項。提出了一種改進型的刀片阱，可以在保證大通光角度的情況下減小高階項，該研究成果發表在J. Appl. Phys.上。在降低電子噪聲方面，通過對離子阱真空系統內部和外部加裝電子濾波電路，有效地降低了電子噪聲的影響。實驗上搭建了離子阱真空系統，實現了鎂離子280納米冷卻雷射的長期鎖定，將1120納米的種子雷射器的頻率漂移從自由運轉時144 MHz/h壓制到最大120 kHz/h，研究結果發表在Rev. Sci. Instrum.上；實現了鎂離子的冷卻、囚禁以及微運動補償的自動化控制；實現了快速有效的拉曼邊帶冷卻鎂離子到振動基態，基態布居數達到93%；利用邊帶與載波幅度比隨時間的變化，測量出離子加熱率在幾十個聲子每秒的範圍，達到國際先進水平。項目的順利結題對下一步實驗室實現鋁離子光頻標打下了堅實的基礎。項目資助期間共畢業5名碩士研究生，發表了4篇SCI文章，5篇會議論文，參加了11次國內外學術交流會議，同時與國外多家單位開展了廣泛的學術合作。