《量子精密測量中里德堡原子制備方法》國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見

由 tc578(全國量子計算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會)歸口，中國計量科學(xué)研究院 、深圳中國計量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院 、國儀量子(合肥)技術(shù)有限公司等單位起草的國家標(biāo)準(zhǔn)計劃《量子精密測量中里德堡原子制備方法》征求意見稿發(fā)布，并公開征求意見。截止時間2023年5月13日。

高激發(fā)態(tài)原子是指電子被激發(fā)到主量子數(shù) n 很高的能級(一般n>;10)的原子，高激發(fā)態(tài)又稱為里德堡態(tài)，因此這類原子亦稱為里德堡原子。里德堡原子中由于電子到原子實(shí)的距離比較遠(yuǎn)，庫侖作用比較小，比較容易受到外加的電磁場影響。利用這種特性，里德堡原子成為量子信息領(lǐng)域的一個研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，特別是近年來在高靈敏度量子精密測量領(lǐng)域被廣泛使用。里德堡原子的制備是實(shí)現(xiàn)量子精密測量的物理前提和關(guān)鍵共性技術(shù)。近年來單光子激發(fā)、雙光子激發(fā)、三光子激發(fā)等多種制備技術(shù)相繼研發(fā)，每種制備技術(shù)對泵浦激光的特性參數(shù)和操控方法有著不同的要求，相應(yīng)的檢驗(yàn)方法也不同。制定《量子精密測量中里德堡原子制備方法》國家標(biāo)準(zhǔn)，對于規(guī)范高激發(fā)態(tài)原子的制備，擴(kuò)大高激發(fā)態(tài)原子在量子精密測量領(lǐng)域中的應(yīng)用有著重要的應(yīng)用價值和指導(dǎo)意義。

隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，以及里德堡原子靈敏度高、頻率范圍寬等先天優(yōu)勢，在量子計算、微波及太赫茲波傳感以及量子光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)國外未發(fā)布相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，隨著微波量子場強(qiáng)儀等量子科學(xué)儀器逐漸進(jìn)入工程應(yīng)用，亟需填補(bǔ)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的空白。

本文件按照gb/t 1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件規(guī)定了里德堡原子的制備方法，方法不限于冷原子和熱原子系綜。本文件適用于基于里德堡原子的量子精密測量等領(lǐng)域。

儀器設(shè)備：

1.一般要求

所有儀器儀表應(yīng)經(jīng)過計量檢定機(jī)構(gòu)檢定合格，并在有效期內(nèi)。進(jìn)入試驗(yàn)后定期進(jìn)行計量復(fù)查，復(fù)查合格后給出準(zhǔn)用證。

2.窄線寬激光器

窄線寬激光器泵浦原子完成特定能級躍遷，包括半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、鈦寶石激光器等激光器。激光器的輸出激光波長(頻率)及線寬、功率及其穩(wěn)定度等都是激光器的主要參數(shù)。

1)單光子吸收激發(fā)

激光器數(shù)量：1臺

激光波長：297(銣原子)或319 nm(銫原子)

線寬：≤100 khz

功率：不小于1 mw

2)雙光子吸收激發(fā)

激光器數(shù)量：2臺

激光器1：

激光波長范圍：780nm(銣原子)或852nm(銫原子)

線寬：≤100 khz

功率：不小于10μw

激光器2：

激光波長范圍：483nm(銣原子)或513nm(銫原子)

線寬：≤100khz

功率：不小于30mw

3)三光子吸收激發(fā)

激光器數(shù)量：3臺

激光器1：

激光波長范圍：780nm(銣原子)或852nm(銫原子)

線寬：≤100khz

功率：不小于10μw

激光器2：

激光波長范圍：785±15nm(銣原子)或1425±75nm(銫原子)

線寬：≤100khz

功率：不小于50mw

激光器3：

激光波長范圍：1375±125nm(銣原子)或800nm±50nm(銫原子)

線寬：≤100khz

功率：不小于10μw

3.光電探測器

光電探測器將光譜信號轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)行光譜信號的測量，一般采用高增益、低噪聲探測器。響應(yīng)波長范圍、帶寬、響應(yīng)度、增益、噪聲等效功率、飽和光功率、損傷光功率、輸出電壓、工作溫度是光電探測器主要參數(shù)。

波長范圍：覆蓋探測所需波長

帶寬：不小于1mhz

噪聲等效功率(nep)：不大于10pw/√hz

4.信號采集儀器

信號采集儀器包括示波器或光譜儀。示波器完成信號的時域特性采集，光譜儀完成信號的頻域特性采集。兩者可以根據(jù)實(shí)際需要選用。

試驗(yàn)方法：

1) 吸收光譜法

吸收光譜法是早期里德堡原子的探測方法，主要是利用光譜儀來記錄分析原子吸收光譜，從而實(shí)現(xiàn)特定里德堡態(tài)的探測。電磁誘導(dǎo)透明(eit)是一種常用的吸收光譜法。

2) 熒光探測法

熒光探測法是使用光電倍增管來探測原子由里德堡態(tài)自發(fā)輻射回低能態(tài)所發(fā)出的熒光信號。由于里德堡原子能級間隔很小，導(dǎo)致自發(fā)輻射的光譜分布很寬，無法實(shí)現(xiàn)里德堡態(tài)的精確探測;而且熒光強(qiáng)度隨主量子數(shù)的增加迅速減小，因此，此方法只適合主量子數(shù)較低的里德堡態(tài)的探測。

3) 選擇場電離法

場電離探測法利用里德堡原子易電離的特性，利用外加電場使里德堡態(tài)上的原子被電離，然后在加速電場的作用到達(dá)微通道板(mcp)探測器，通過探測器輸出的正離子或電子信號強(qiáng)度就可以推出相應(yīng)里德堡原子數(shù)目。通過改變所加電場的大小即可實(shí)現(xiàn)不同里德堡態(tài)的探測。場電離探測方法的效率和分辨率都很高，但該探測技術(shù)是破壞性的，探測后的里德堡原子不可恢復(fù)。

試驗(yàn)報告：

試驗(yàn)報告至少應(yīng)給出以下幾個方面的內(nèi)容：

——試驗(yàn)對象，堿金屬元素種類;

——主要試驗(yàn)儀器信息;

——采集數(shù)據(jù)(光譜時域或頻域信號);

——試驗(yàn)日期;

——試驗(yàn)操作者信息。