GB/T 43735-2024 量子精密测量中里德堡原子制备方法

　　ICS 17. 020 CCS A 50

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 43735—2024

　　量子精密测量中里德堡原子制备方法

　　Methodsforthepreparation ofRydbergatomsforquantum precision measurement

　　2024-03-15发布 2024-10-01实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 43735—2024

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 制备原理 1

　　5 仪器设备 3

　　5. 1 激光器 3

　　5. 2 光电探测器 4

　　5. 3 信号采集仪器 4

　　6 制备步骤 4

　　6. 1 环境条件 4

　　6. 2 操作方法 4

　　7 制备有效性检验 5

　　7. 1 检验指标 5

　　7. 2 检验方法 5

　　8 制备报告 5

　　Ⅰ

　　GB/T 43735—2024

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由全国量子计算与测量标准化技术委员会(SAC/TC578)提出并归 口 。

　　本文件起草单位 : 中国计量科学研究院 、深圳中国计量科学研究院技术创新研究院 、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 、山西大学 、中国电子信息产业集团有限公司 、北京无线电测量研究所 、中国科技大学 、之江实验室 、华中科技大学 、国仪量子(合肥)技术有限公司 、深圳市标准技术研究院 。

　　本文件主要起草人 :宋振飞 、刘红平 、李文文 、张临杰 、王增斌 、冯志刚 、李贵兰 、芮俊 、董莹 、胡忠坤 、万传奇 、王益群 、金淑娟 、王柳 。

　　Ⅲ

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　　量子精密测量中里德堡原子制备方法

　　1 范围

　　本文件描述了里德堡原子制备的方法 ,给出了制备原理 、仪器设备 、制备步骤 、制备有效性检验以及制备报告的说明 。

　　本文件适用于量子精密测量等领域里德堡原子的制备 。

　　2 规范性引用文件

　　本文件没有规范性引用文件 。

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　基态 ground state

　　原子处于最低能级状态时 , 电子在离核最近的轨道上运动的量子态 。

　　3.2

　　激发态 excited state

　　相对基态(3. 1)而言 ,原子处于较高能级状态的量子态 。

　　3.3

　　里德堡态 Rydbergstate

　　主量子数 n 较高(典型值 n≥10)的量子态 。

　　3.4

　　里德堡原子 Rydberg atom

　　处于里德堡态(3. 3)的原子 。

　　4 制备原理

　　里德堡原子制备主要是将原子从基态激发到里德堡态 ,需要满足吸收光子能量等于原子基态和里德堡态的能级差 ΔE 的条件 。常用的制备方法按照激发方式可分为单光子吸收激发法 、双光子吸收激发法 、三光子吸收激发法三种 ,能级示意图如图 1所示 。

　　1

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　　a) 单光子吸收激发法 b) 双光子吸收激发法 c) 三光子吸收激发法标引序号说明 :

　　n — 主量子数 ;

　　nP1/2,3/2 — 角量子数为 1且角动量量子数为 1/2、3/2的原子激发态能级 ;

　　nS1/2 — 角量子数为 0且角动量量子数为 1/2原子基态能级 ;

　　nD3/2,5/2 — 角量子数为 2且角动量量子数为 3/2、5/2的原子激发态能级 ;

　　nF5/2,7/2 — 角量子数为 3且角动量量子数为 5/2、7/2的原子激发态能级 。

　　图 1 常用里德堡原子制备方法激发能级示意图

　　a) 单光子吸收激发法 。

　　原子基态和里德堡态的能级差 ΔE见公式(1) :

　　ΔE=hν …………………………( 1 )

　　式中 :

　　ΔE — 原子基态和里德堡态的能级差 ;

　　h — 普朗克常数 ;

　　ν — 单光子吸收激发所需激光的频率 。

　　b) 双光子吸收激发法 。

　　原子基态和里德堡态的能级差 ΔE见公式(2) :

　　ΔE=hν1 +hν2 …………………………( 2 )

　　式中 :

　　ΔE — 原子基态和里德堡态的能级差 ;

　　h — 普朗克常数 ;

　　ν1 — 双光子吸收激发中所需激光 1 的频率 ;

　　ν2 — 双光子吸收激发中所需激光 2 的频率 。

　　c) 三光子吸收激发法 。

　　原子基态和里德堡态的能级差 ΔE见公式(3) :

　　ΔE=hν1 +hν2 + hν3 …………………………( 3 )

　　式中 :

　　ΔE — 原子基态和里德堡态的能级差 ;

　　h — 普朗克常数 ;

　　ν1 — 三光子吸收激发中所需激光 1 的频率 ;

　　ν2 — 三光子吸收激发中所需激光 2 的频率 ;

　　2

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　　ν3 — 三光子吸收激发中所需激光 3 的频率 。

　　制备具有确定轨道角动量量子数 l的里德堡原子 ,在满足公式(1)或公式(2)或公式(3)的光子能量条件下 ,轨道角动量量子数变化量 Δl需要满足跃迁选择定则 :Δl= ±1;制备具有确定总角动量量子数

　　J 的 制备具有确(里德堡原子)定,总磁(角)量(动)子(量)数(量)的(数)里(变)德(化)堡(量)原(ΔJ)子需, 磁量子数变化量(要满足跃迁选择)Δ(定) :需(Δ)要(J)跃。迁选择定则 : Δm = 0,

　　±1。实现 Δm =0 的量子态跃迁采- 用 π 偏振激发光 ;实现 Δm = 1 的量子态跃迁采用 σ+ 偏振激发光 ;实

　　现 Δm = -1的量子态跃迁采用 σ 偏振激发光 。

　　5 仪器设备

　　5. 1 激光器

　　使用激光器泵浦原子完成特定能级跃迁 ,可使用的激光器包括半导体激光器 、光纤激光器 、钛宝石激光器等 。不同制备方法使用的激光器要求如下 。

　　a) 单光子吸收激发法

　　激光器数量 :1 台 。

　　激光波长 :297 nm±5 nm(铷原子)或 319 nm±5 nm(铯原子) 。

　　线宽 :≤100kHz。

　　功率 :≥1 mW 。

　　b) 双光子吸收激发法

　　激光器数量 :2 台 。

　　激光器 1:

　　— 激光波长 :780 nm(铷原子)或 852 nm(铯原子) ;

　　— 线宽 :≤100kHz;

　　— 功率 :≥10μW 。

　　激光器 2:

　　— 激光波长 :483 nm±5 nm(铷原子)或 513 nm±5 nm(铯原子) ;

　　— 线宽 :≤100kHz;

　　— 功率 :≥30 mW 。

　　c) 三光子吸收激发法激光器数量 :3 台 。

　　激光器 1:

　　— 激光波长 :780 nm(铷原子)或 852 nm(铯原子) ;

　　— 线宽 :≤100kHz;

　　— 功率 :≥10μW 。

　　激光器 2:

　　— 激光波长 :785 nm±15 nm(铷原子)或 1 425 nm±75 nm(铯原子) ;

　　— 线宽 :≤100kHz;

　　— 功率 :≥50 mW 。

　　激光器 3:

　　— 激光波长范围 :1 375 nm±125 nm(铷原子)或 800 nm±50 nm(铯原子) ;

　　— 线宽 :≤100kHz;

　　— 功率 :≥10μW 。

　　3

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　　5.2 光电探测器

　　光电探测器将光谱信号转换为电信号 ,进行光谱信号的测量 。光电探测器参数要求如下 。

　　— 波长范围 :覆盖探测所需波长 。

　　— 带宽 :≥1MHz。

　　— 噪声等效功率 :≤10pW

　　5.3 信号采集仪器

　　信号采集仪器包括示波器或光谱仪 。示波器完成信号的时域特性采集 ,光谱仪完成信号的频域特性采集 。两者可根据实际需要选用 。

　　6 制备步骤

　　6. 1 环境条件

　　里德堡原子制备实验室环境应满足如下条件 。

　　— 温度 :20 ℃ ±3 ℃ 。

　　— 相对湿度 : (50±20) % 。

　　— 洁净度 :优于万级 。

　　6.2 操作方法

　　6.2. 1 单光子吸收激发法

　　单光子吸收激发法制备里德堡原子的操作程序包括 :

　　a) 确定原子类型 ,根据基态和所需制备的目标里德堡态 ,通过公式(1) 计算单光子吸收激发所需激光的频率 ,并锁定激光器频率 ;

　　b) 调节激光功率 、偏振态等主要参数 ;

　　c) 将激光光束聚焦作用在基态原子上 ,通过单光子吸收 ,将基态原子激发至目标里德堡态 ,完成里德堡原子的制备 。

　　6.2.2 双光子吸收激发法

　　双光子吸收激发法制备里德堡原子的操作程序包括 :

　　a) 确定原子类型 ,根据基态 、中间态 , 以及所需制备的 目标里德堡态 ,通过公式(2) 计算双光子吸收激发所需激光器 1 和激光器 2 的频率 ,并锁定激光器频率 ;

　　b) 调节激光功率 、偏振态等主要参数 ;

　　c) 调节激光光束路径 ,将激光器 1 和激光器 2 的输出光束重合照射在基态原子上 ,通过双光子吸收 ,将基态原子激发至目标里德堡态 ,完成里德堡原子的制备 。

　　6.2.3 三光子吸收激发法

　　三光子吸收激发法制备里德堡原子的操作程序包括 :

　　a) 确定原子类型 ,根 据 基 态 、第 一 激 发 态 、第 二 激 发 态 , 以 及 所 需 制 备 的 目 标 里 德 堡 态 , 通 过 公式(3)计算三光子吸收激发所需激光器 1、激光器 2 和激光器 3 的频率 ,并锁定激光器频率 ;

　　b) 调节激光功率 、偏振态等主要参数 ;

　　c) 调节激光光束路径 ,将激光器 1、激光器 2 和激光器 3 的输出光束重合照射在基态原子上 ,通

　　4

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　　过三光子吸收 ,将基态原子激发至目标里德堡态 ,完成里德堡原子的制备 。

　　7 制备有效性检验

　　7. 1 检验指标

　　里德堡原子制备的有效性采用如下指标进行检验 。

　　a) 原子数量 :从基态原子制备出的里德堡原子数目 。

　　b) 原子密度 :从基态原子制备出的单位体积内里德堡原子数目 。

　　c) 光学厚度 :采用光激发基态原子制备里德原子的过程中单位截面积上的光学吸收程度 ,是无量纲物理量 。

　　d) 里德堡态保真度 :制备出的里德堡原子量子态在一定时间后保持原来状态的程度 。

　　7.2 检验方法

　　根据实验的具体内容 ,选择下列方法检验里德堡原子制备的有效性 。

　　a) 吸收光谱法 :主要是利用光电探测器接收原子的吸收光谱 ,并用示波器或光谱仪记录分析 ,实现特定里德堡态的探测 。 电磁诱导透明(EIT)是一种常用的吸收光谱法 。

　　b) 荧光探测法 :使用光电探测器接收原子由里德堡态自发辐射回低能态所发出的荧光信号 。 由于里德堡原子能级间隔很小 ,导致自发辐射的光谱分布很宽 ,荧光探测法无法实现里德堡态的精确探测 ; 同时 ,荧光强度随主量子数的增加迅速减小 ,此方法只适合主量子数较低的里德堡态的探测 。

　　c) 场电离探测法 :利用里德堡原子易电离的特性 ,利用外加电场使里德堡态上的原子被电离 ,然后在加速电场的作用下到达光电探测器 ,通过接收的正离子或电子信号强度可推算出相应里德堡原子数目 ,通过改变所加电场的大小即可实现不同里德堡态的探测 。场电离探测法的效率和分辨率都很高 ,但该探测技术是破坏性的 ,探测后的里德堡原子不可恢复 。

　　8 制备报告

　　制备报告至少应给出以下几个方面的内容 :

　　— 制备对象 ;

　　— 本文件编号 ;

　　— 所使用的方法 ;

　　— 制备结果 ;

　　— 观察到的异常现象 ;

　　— 制备日期 。