[发明专利]一种激光冷却与俘获的磁光阱方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及两个波长的激光对阶梯型能级碱金属原子的激光冷却与俘获，具体为一种利用原子存储波段和光通讯波段的两个波长的激光器对原子进行激光冷却与俘获的磁光阱方法及装置。

背景技术

自从1975年Hansch与Schawlow提出了激光冷却中性原子的建议，以及1985年美国国家标准与技术研究院的WillamPhillips和斯坦福大学的朱棣文(StevenChu)首先在实验中实现了中性原子的激光冷却与俘获，极大地推动了冷原子物理的发展和应用，如原子钟、光镊、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱等等，已成为现代物理学中最活跃的研究领域之一。依靠激光冷却技术获得的超冷原子，因为有着其他状态的物质（如常温下气室中的原子）所没有的优势，对物理学的发展和实际应用具有重要的意义。近三十年来，国际上在上述几方面进行了深入的理论和实验研究工作，并逐步将其应用于社会实践中。在这些已取得的丰硕成果中，磁光阱技术起了十分重要的作用。在量子通讯和量子计算中，冷原子是构成量子存储器和发射器的基本方案之一，而磁光阱是获得冷原子的最直接有效的方法。

量子态的远程分发是未来长程量子密钥分发和量子网络等量子技术的关键技术，在具体实施中，无论是自由空间传输还是光纤传输的量子通道，都会造成传输损耗和退相干。即使对于1.5微米光纤通信波段，其传输损耗为0.2dB/km，经100km传输后光子数为原来的1%，经500km后光子数变为原来的10^-10。以10GHz的超快重复频率的量子态发射源为例，其经过100km光纤的传输率为0.1GHz，对于500km的光纤其传输率为1Hz，对于1000km的光纤其传输效率为10^-10Hz。在经典的通讯中，使用放大器或可以克服这种传输损耗，而在量子通讯中，由于量子不可克隆原理，直接的放大器不可行。只能采用及其复杂的量子中继器。

量子中继器通过纠缠交换将较短距离的纠缠扩展为长距离的量子纠缠。以目前的量子中继器发展来看，还处于实验室研究阶段，大多数是基于以原子系综和线性光学为基础的DLCZ协议或其改进协议的实验演示，而且还是较短距离的中继节点的演示，其演示的传输距离为百米量级。在这些演示中，传输的光子波长大都处于原子存储波段，其波长为700nm到900nm，传输损耗远远大于光纤通讯波段1.1~1.7微米，大大限制了传输距离，甚至是较短距离的传输也无法满足。国外研究人员发明了基于原子存储波段和光纤通讯波段的纠缠光子对的量子中继器中【Phys.Rev.Lett.96,093604(2006)，专利号US20080258049A1】，大大降低了传输损耗，克服了这一困难。在该发明中，六束冷却光和四极磁场线圈以及反抽运光构成的传统磁光阱将Rb原子冷却，得到一团冷原子云后，将其制备到所需量子态，然后关断光场和磁场，将另外一束原子存储波段的激光和一束光纤通信波段的激光作为泵浦光，以特定的小角度反向作用到冷原子云，在特定的两个角度搜集光子，得到关联甚至纠缠的双光子对。但是该发明介入的激光多，介入激光的方向，搜集光子的方向等需要严格对准，容易受到原子气室的几何形状真空管道的布置等的影响；各个激光的频率以及开启和关断的时间需要严格控制，增加了控制的复杂度；通讯波段的激光没有参与原子冷却，只在极短的时间窗口开启，利用率不足。

发明内容

本发明为解决现有基于传统磁光阱的量子中继器中【Phys.Rev.Lett.96,093604(2006)，专利号US20080258049A1】，参与四波混频过程的适合于原子长寿命存储的波段激光和适合于光纤远距离传输的光学通讯波段激光，光路复杂且并未参与原子冷却，不能充分利用的技术问题，提供一种激光冷却与俘获的磁光阱方法及装置，同时提出第一冷却光和第二冷却光的各种不同组合方式，装置灵活，满足各种不同潜在应用的需求。