【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子信息，尤其是一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法。
技术介绍
1、量子计算机的实现方式众多，包括超导量子比特、离子阱量子比特、中性原子量子比特、量子点量子比特和nv色心量子比特等。
2、每种量子比特系统都独具特色，如超导量子比特具有操作速度快、精度高、可集成性好以及可扩展性强的优势，但是其劣势在于超导量子是在微波的波段进行工作的，超导量子比特是静态的，很难直接对量子信息进行传输。而中性冷原子量子比特以其非常大的电偶极矩，能与谐振腔发生强耦合，而且具有很长的相干时间、基于光波和微波的精确寻址跃迁以及高度可控的相互作用等显著优势脱颖而出，让中性冷原子量子比特在精密测量、量子计算和量子信息领域具有其独特的优势。
3、中性冷原子系统运用了激光激发的原子里德堡态之间的强烈偶极-偶极相互作用。在这样的系统中，原子被精心地在超导原子芯片的表面附近囚禁和控制，使其能够与芯片上的微波平面谐振器实现高效的耦合。这种耦合为量子计算提供了强大的工具，使得中性冷原子量子比特具有极高的可控性和稳定性。为了保证现实过程中实验能有很高的效率，原子芯片在运行时需要通过液氦冷却到接近4k的超低温。在这样的温度下，黑体辐射被极大地抑制，从而不会对里德堡态的寿命产生不利影响。
4、原子里德堡态之间的电偶极子跃迁强度极高，使得原子与微波平面波导和谐振器之间能够发生强大的耦合作用。但是在4k的温度下，微波腔或波导中会产生大量的热光子，这些热光子会阻碍长距离量子门操作和相干转换的进行。因此，为了提高长距离量子门操作和相干转
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法。
2、本专利技术的技术方案为：一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，包括以下步骤：
3、s1)、制备里德堡原子
4、在靠近空腔波腹的位置，制备好的冷却原子nc被囚禁在基态|g>；利用激光光场将原子从基态|g>激发到上里德堡态|i>；
5、s2)、室温铜腔与里德堡原子的强耦合
6、利用温控设备给铷泡升温来提高铷泡中里德堡原子数密度；并选取合适微波腔模与里德堡原子二能级耦合，耦合强度gc满足：
7、
8、使得在微波腔模下，原子在两里德堡能级间跃迁，从上里德堡态|i>跃迁到下里德堡态|r>的过程中，原子吸收微波腔模的热光子，其中，提取热光子的速率γc满足：
9、
10、式中，nc为冷却原子的数量；γr为下里德堡态|r>的群衰减速率，δc为失谐频率，ω为rabi频率；μ为里德堡原子二能级的电偶极矩、ω为微波腔模频率、ε为介电常数、为约化普朗克常数、v为微波腔模体积；
11、s3)、持续从室温铜腔中提取热光子
12、利用辅助激光ω’，将下里德堡能级与基态耦合，增强原子从下里德堡态|r>到基态的跃迁，从而实现基态|g>、激发态|e>、上里德堡态|i>、下里德堡态|r>、基态|g>的循环，进而持续地从室温铜腔中提取热光子，有效地实现室温腔冷却。
13、作为优选的，步骤s1)中，利用480nm的激光和780nm的激光对向打到铷泡里制备里德堡原子，其中，780nm的激光与铷87的基态与激发态的二能级耦合，使铷87从基态跃迁到激发态；480的激光与铷87的激发态与里德堡态耦合，实现原子从激发态到里德堡态的跃迁。
14、作为优选的，步骤s2)中，利用ag，n和ar，n-1的偏导的方程来描述状态|g，n>和|r，n-1>：
15、
16、式中，ag，n、ar，n-1分别表示|g，n>态的概率幅和|r，n-1>态的概率幅，i表示虚数，表示有效拉比频率，γr表示下里德堡态|r>的群衰减速率。
17、假设双光子共振，因此，得到两个状态|g，n>→|r，n-1>之间的非相干跃迁速率rn：
18、
19、式中，表示有效拉比频率，γr表示下里德堡态|r>的群衰减速率；
20、因此，对于数量为nc的冷却原子，通过公式γcn＝ncrn，确定热光子提取速率γc表示为：
21、
22、式中，nc为冷却原子的数量；γr为下里德堡态|r>的群衰减速率，δc为失谐频率，ω为rabi频率，n为热光子数量，gc为耦合强度。
23、作为优选的，步骤s2)中，在里德堡跃迁过程中|i>→|r>，每个原子都与微波腔场耦合；通过绝热消除非共振中间态|i>，得到双光子跃迁|g，n>→|r，n-1>过程的有效拉比频率为：
24、
25、式中，n为热光子数量，gc为耦合强度，ω为rabi频率。
26、作为优选的，步骤s2)中，所述的微波腔冷却的循环过程中，德堡态原子自发衰减速率γ由liouvillians方程表述为：
27、
28、式中，为描述原子的lindblad算符，ρ为微波腔的原子密度算符，σ为热光子湮灭算符，σ+为热光子产生算符。
29、作为优选的，步骤s2)中，所述的微波腔冷却的循环过程中，微波腔场中光子向热平衡弛豫的耗散速率κ表示为：
30、
31、式中，为在温度t时微波腔内有效热光子的数量，为描述腔的lindblad算符。
32、作为优选的，步骤s2)中，在温度t时微波腔内有效热光子的数量表示为：
33、
34、式中，k为玻尔兹曼常量，ωc为微波腔与原子跃迁共振频率，为约化普朗克常数。
35、作为优选的，步骤s2)中，在微波腔冷却过程中，提取热光子的速率γc＞＞κ，通过liouvillians方程表述为：
36、
37、式中，为描述整个腔冷却过程的lindblad算符，ρ为微波腔的原子密度算符。
38、作为优选的，步骤s2)中，微波腔的原子密度算符ρ服从如下方程：
39、
40、式中，h表示微波腔和原子耦合系统的哈密顿量，为描述整个腔冷却过程的lindblad算符，为描述微波腔的lindblad算符，为描述原子的lindblad算符。
41、作为优选的，步骤s2)中，热光子数态的概率分布pn服从以下方程：
42、
43、其中，在平衡态时有这时对于的过程，有d(n+1)pn+1＝a(n+1)pn；得到pn＝(a/d)np0；通过归一化概率分布函数pn，得到pn为：
44、
45、冷却后微波腔内有效热光子数可以通过公式得到：
46、
47、其中，为冷却本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤S1)中，利用480nm的激光和780nm的激光对向打到铷泡里制备里德堡原子，其中，780nm的激光与铷87的基态与激发态的二能级耦合，使铷87从基态跃迁到激发态；480的激光与铷87的激发态与里德堡态耦合，实现原子从激发态到里德堡态的跃迁。
3.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤S2)中，利用Ag,n和Ar,n―1的偏导的方程来描述状态|g,n>和|r,n―1>：
4.根据权利要求3所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤S2)中，所述的微波腔冷却的循环过程中，德堡态原子自发衰减速率Γ由Liouvillians方程表述为：
5.根据权利要求4所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤S2)中，在温度T时微波腔内有效热光子的数量表示为：
6.根据权利要求4所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，
7.根据权利要求6所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤S2)中，微波腔的原子密度算符ρ服从如下方程：
8.根据权利要求7所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤S2)中，热光子数态的概率分布Pn服从以下方程：
9.根据权利要求8所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：所述的微波腔和原子耦合系统的哈密顿量H对应于微波腔和原子耦合系统的总能量的运算符，表示为：
10.根据权利要求9所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：在微波腔冷却的循环过程中，需要考虑里德堡态原子自发衰减时的哈密顿量，因此，冷却过程中的哈密顿量Hcool为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤s1)中，利用480nm的激光和780nm的激光对向打到铷泡里制备里德堡原子，其中，780nm的激光与铷87的基态与激发态的二能级耦合，使铷87从基态跃迁到激发态；480的激光与铷87的激发态与里德堡态耦合，实现原子从激发态到里德堡态的跃迁。
3.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤s2)中，利用ag,n和ar,n―1的偏导的方程来描述状态|g,n>和|r,n―1>：
4.根据权利要求3所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤s2)中，所述的微波腔冷却的循环过程中，德堡态原子自发衰减速率γ由liouvillians方程表述为：
5.根据权利要求4所述的一种基于里德堡原子的微波腔冷却方法，其特征在于：步骤s2)中，在温度...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶燕妮，李潼欣，李友亮，梁振涛，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：
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