[发明专利]一种磁共振塞曼跃迁调控的实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种磁共振塞曼跃迁调控的实验装置及方法。首先利用磁屏蔽筒、本底磁场线圈和恒流源产生稳恒的本底磁场，并控制本底磁场对应的拉莫尔进动频率fsubgt;0/subgt;和射频信号源输出的正弦信号的频率f相等；其次通过调节抽运‑检测型原子磁力仪的射频信号源输出的信号幅度来设置射频信号为π/2脉冲或π脉冲；然后控制射频信号源输出一系列初始相位相同的正弦射频脉冲串，首个射频脉冲信号为π/2脉冲，射频脉冲信号之间的间隔时长设定为n/fsubgt;0/subgt;或(m‑0.5)/fsubgt;0/subgt;，n和m为正整数，通过调整射频脉冲信号之间的间隔时长实现对磁共振塞曼跃迁的调控。本发明证明了量子跃迁是有过程的，是可被重复操控的，是确定性的结论。

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，具体涉及一种磁共振塞曼跃迁调控的实验装置及方法。

背景技术

1913年丹麦物理学家玻尔提出氢原子的行星轨道模型(旧量子论)，并认为量子跃迁是随机发生的。由于电子圆周运动时会辐射能量，原子的行星轨道模型是不稳定的结构，1926年薛定谔提出了薛定谔方程和电子云结构，用波函数Ψ(x,y,z)表征电子的运动状态，并用它的模平方|Ψ|²值表示单位体积内电子在核外空间某处出现的几率，所以电子云实际上就是|Ψ|²在空间的分布。1930年狄拉克将量子态的叠加性作为量子力学的一个基本假设，从此学术界针对量子力学基本假设是否成立和量子力学是否完备展开了激烈的辩论。1935年爱因斯坦和薛定谔分别以“EPR佯谬”和“薛定谔猫”发起对量子力学完备性的质疑，玻尔以观察者效应进行反驳。回顾物理学发展史，量子力学是基于统计学实验(例如黑体辐射和原子光谱)得到的统计学规律，并成功地解释了诸多统计学实验，然而量子跃迁在单个量子比特中是随机性的还是确定性的，目前在学术界仍然存在争议。

进入21世纪以来，量子物理与信息科学交叉产生了量子信息技术，其物理基础是量子态的叠加性、量子非局域性和量子不可克隆定理。量子信息技术工程应用的必要条件是信息被存储在量子比特中，然而学术界还未回答单个量子比特如何在实验上实现“写入”和“读取”的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种磁共振塞曼跃迁调控的实验装置及方法。本发明基于磁共振塞曼跃迁的二能级系统，将相干原子系综在磁场中的演化过程等效为一个原子的演化，从操控磁共振跃迁的实验细节来说明量子跃迁操控需具备的实验条件，并分析未来单个量子比特“写入”和“读取”应注意的实验细节。本发明试图获得量子跃迁是确定性的结论，由此论证量子信息技术及其应用的可行性。

本发明首先利用磁屏蔽筒、本底磁场线圈和恒流源产生稳恒的本底磁场，通过监测抽运-检测型原子磁力仪输出的拉莫尔进动频率f₀来调整恒流源向标准线圈输出的电流，使本底磁场对应的拉莫尔进动频率f₀和射频信号源输出的正弦信号的频率f相等；其次通过调节抽运-检测型原子磁力仪的射频信号源输出的信号幅度来设置射频信号的π/2脉冲或π脉冲的时长；然后控制射频信号源输出一系列初始相位相同的正弦射频脉冲串，首个射频脉冲信号为π/2脉冲，射频脉冲信号之间的间隔时长设定为n/f₀或(m-0.5)/f₀，n和m为正整数，通过调整射频脉冲信号之间的间隔时长实现对磁共振塞曼跃迁的调控。本发明实施例中设计了四组射频场脉冲串的组合，分别实现↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓、↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑、↑↓↓↓↓↓↓↓↓↓和↑↑↓↓↑↑↓↓↑↑的调控结果(↑代表原子磁矩指向z轴正方向，↓代表原子磁矩指向z轴负方向)。本发明实施例证明量子跃迁是有过程的，是可被重复操控的，是确定性的结论。

有益效果：

(1)本发明同时观测了磁共振塞曼跃迁过程中z轴的跃迁信号和x轴的内态演化信号，而微波原子钟实验装置只能观测到类似本发明中z轴的跃迁信号，无法观测到类似本发明中x轴的内态演化信号。