Quantum Optics with Atomic Ensembles and Arrays

具有原子系综和阵列的量子光学

基本信息

项目摘要

This research will explore the creation and motion of many-particle quantum states using ultra-cold atoms trapped in focused laser beams. When these atoms are placed into highly-excited (Rydberg) atomic states, they interact with each other strongly, rapidly leading to a situation in which many atoms are interconnected in a very fundamental way (so-called "quantum entanglement). Subsequent evolution and decoherence (removal of the entanglement) of atomic states will be studied. Efficient production of multi-particle entangled states will impact fundamental physics investigations and advance quantum-enhanced measurement techniques. This research will also inform emerging technological applications of quantum computation and communication, quantum sensors for navigation and magnetometry, and atomic clocks. The experiments feature an array of individual atoms and atomic ensembles cooled to microKelvin temperatures, each confined by a strongly focused laser beam. The frequency of the trapping field is chosen such that confinement is state-insensitive with respect to ground and Rydberg atomic levels. This approach allows for controlled evolution of strongly-interacting atoms, permitting generation of multi-atom entangled states on the timescale of tens of microseconds and allowing for second-scale entanglement storage within ground hyperfine manifolds. Methods of creating and controlling highly-entangled states and their applications to quantum-limited metrology will be explored.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
这项研究将利用聚焦激光束中捕获的超冷原子来探索多粒子量子态的产生和运动。当这些原子处于高激发(里德伯)原子态时,它们彼此强烈、迅速地相互作用,导致许多原子以非常基本的方式互连(所谓的“量子纠缠”)。随后的演化和该研究还将研究原子态的退相干(消除纠缠)。多粒子纠缠态的有效产生将影响基础物理研究和先进的量子增强测量技术。为量子计算和通信、用于导航和磁力测量的量子传感器以及原子钟的新兴技术应用提供信息。这些实验的特点是冷却到微开尔文温度的一系列单个原子和原子团,每个原子都受到强聚焦激光束的频率限制。选择捕获场使得限制对于基原子能级和里德伯原子能级而言是状态不敏感的,这种方法允许强相互作用原子的受控演化,从而允许在数十个时间尺度上生成多原子纠缠态。微秒,并允许在地面超精细流形内进行秒级纠缠存储。将探索创建和控制高度纠缠态的方法及其在量子限制计量学中的应用。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    P. Berman;A. Kuzmich
  • 通讯作者:
    P. Berman;A. Kuzmich
Phase Matching in Lower Dimensions
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  • DOI:
    10.1103/physrevlett.125.163601
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
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  • 作者:
    Tamura, H.;Nguyen, H.;Berman, P. R.;Kuzmich, A.
  • 通讯作者:
    Kuzmich, A.
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  • DOI:
    10.1103/physreva.104.043714
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Berman, P. R.;Kuzmich, A.
  • 通讯作者:
    Kuzmich, A.
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