量子精密测量中里德堡原子制备方法

ICS17.020

A50

中华人民共和国国家标准

GB/TXXXXX—XXXX

量子精密测量中里德堡原子制备方法

MethodsforthepreparationofRydbergatomsforprecisionquantummeasurement

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（征求意见稿）

（本草案完成日期：2023年3月12日）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

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前言

本文件按照GB/T1.1-2020《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/TC587）提出并归口。

本文件起草单位：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、山西大学、北京无线电测量研究所、中国电子信息产业集团有限公司、中国计量科学研究院、国

仪量子（合肥）技术有限公司、中国科技大学、之江实验室、深圳市标准技术研究院、华中科技大学。

本文件主要起草人：

II

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量子精密测量中里德堡原子制备方法

1范围

本文件规定了里德堡原子的制备方法，方法不限于冷原子和热原子系综。

本文件适用于基于里德堡原子的量子精密测量等领域。

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groundstates

电子处在离核最近的轨道上的量子态，也称为电子的稳定态。

3.2

激发态excitedstates

相对基态而言，电子处于能量较高的轨道上，其量子态称为激发态。

处于激发态的原子叫激发态原子。

3.3

里德堡态Rydbergstates

主量子数n较高（典型值n≥10）的量子态。

3.4

里德堡原子Rydbergatom

处于里德堡态的原子。

4仪器设备

4.1一般要求

所有仪器仪表应经过计量检定机构检定合格，并在有效期内。进入试验后定期进行计量复查，复查

合格后给出准用证。

1

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4.2窄线宽激光器

窄线宽激光器泵浦原子完成特定能级跃迁，包括半导体激光器、光纤激光器、钛宝石激光器等激光

器。激光器的输出激光波长（频率）及线宽、功率及其稳定度等都是激光器的主要参数。

1）单光子吸收激发

激光器数量：1台

激光波长：297（铷原子）或319nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于1mW

2）双光子吸收激发

激光器数量：2台

激光器1：

激光波长范围：780nm（铷原子）或852nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于10μW

激光器2：

激光波长范围：483nm（铷原子）或513nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于30mW

3）三光子吸收激发

激光器数量：3台

激光器1：

激光波长范围：780nm（铷原子）或852nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于10μW

激光器2：

激光波长范围：785±15nm（铷原子）或1425±75nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于50mW

激光器3：

激光波长范围：1375±125nm（铷原子）或800nm±50nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于10μW

2

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4.3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，一般采用高增益、低噪声探测器。响

应波长范围、带宽、响应度、增益、噪声等效功率、饱和光功率、损伤光功率、输出电压、工作温度是

光电探测器主要参数。

波长范围：覆盖探测所需波长

带宽：不小于1MHz

噪声等效功率（NEP）：不大于10pW/√Hz

4.4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。两者可以根据实际需要选用。

5制备步骤

5.1由原子的基态制备到的里德堡态，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E

条件。常见的制备方法按照激发方式可分为如下三种，激发能级示意图如图1所示：

单光子吸收激发法：E=h……………..................................................................................（1）

双光子吸收激发法：E=h1+h2……………...........................................................................（2）

双光子吸收激发法：E=h1+h2+h3......................................................................................（3）

式中：

h⎯普朗克常数；

⎯单光子吸收激发中的激光频率；

1⎯双光子和三光子吸收激发中激光1的光子频率；

2⎯双光子和三光子吸收激发中激光2的光子频率；

3⎯双光子和三光子吸收激发中激光3的光子频率。

图1常见里德堡原子激发方式

图1中：

3

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n⎯主量子数；

nS1/2⎯角量子数为0且角动量量子数为1/2原子基态能级；

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；

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；

nF3/2，5/2⎯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。

5.2制备具有确定轨道角动量量子数l’的里德堡原子，在满足6.1的光子能量条件下，轨道角动量

量子数需要满足跃迁选择定则：l=1；

5.3制备具有确定总角动量量子数J的里德堡原子，在满足6.1和6.2的条件下，总角动量量子数

需要满足跃迁选择定则：J=1

5.4制备具有确定磁量子数m的里德堡原子，满足6.1、6.2和6.3的条件下，磁量子数需要满足跃

迁选择定则：m=0，1。实现m=0的量子态跃迁采用π偏振激发光；实现m=1的量子态跃迁采用+

偏振激发光；实现m=-1的量子态跃迁采用-偏振激发光。

上述单光子吸收激发法、双光子吸收激发法、三光子吸收激发法的里德堡原子制备实施方案遵照附

录A、附录B和附录C的规定。

6制备有效性检验

6.1试验条件

里德堡原子制备的推荐性实验室环境条件原则上应满足：

——温度：20℃±3℃；

——相对湿度：50%±20%；

——洁净度：优于万级。

6.2主要表征指标

1）原子数量

从基态原子制备出的里德堡原子数目。

2)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。

3）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。

4）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。

4

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6.3试验方法

1）吸收光谱法

吸收光谱法是早期里德堡原子的探测方法，主要是利用光谱仪来记录分析原子吸收光谱，从而实现

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。

2）荧光探测法

荧光探测法是使用光电倍增管来探测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，无法实现里德堡态的精确探测；而且荧光强度

随主量子数的增加迅速减小，因此，此方法只适合主量子数较低的里德堡态的探测。

3）选择场电离法

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

速电场的作用到达微通道板（MCP）探测器，通过探测器输出的正离子或电子信号强度就可以推出相应

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。场电离探测方法的效率和分

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。

7试验报告

试验报告至少应给出以下几个方面的内容：

——试验对象，碱金属元素种类；

——主要试验仪器信息；

——采集数据（光谱时域或频域信号）；

——试验日期；

——试验操作者信息。

5

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附录A

（规范性）

单光子吸收法里德堡原子制备实施方案

处于基态的原子通过吸收一个光子，如果光子能量hv等于基态与里德堡态的能级差E，原子由基

态跃迁到里德堡态（如nS1/2→nP1/2,3/2），实现里德堡原子的制备。通过单光子吸收法制备里德堡原子使

用的激光波长大多处于紫光和紫外波段。

铯原子基态6S1/2→nP3/2跃迁的激光波长为318nm；铷原子5S1/2→nP3/2跃迁的激光波长为297nm。基本

操作步骤包括：

1）将激光器频率精确锁定在基态nS1/2→nP3/2跃迁频率；

2）调节激光偏振为确定的圆偏振或者线偏振，及激光输出功率等参数；

3）调谐激光器功率，并将光束聚焦作用在基态原子，实现基态原子到里德堡原子的制备。

6

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附录B

（规范性）

双光子吸收法里德堡原子制备实施方案

双光子吸收激发过程是基态原子通过吸收两个不同能量的光子，借助于一个中间态，由基态跃迁到

目标里德堡态（如nS1/2→nP1/2,3/2→nS1/2,nD3/2,5/2）。

铯原子从基态（6S1/2）到第一激发态（6P3/2）再到里德堡态nS和nD态的跃迁，通过波长分别为852nm

和509nm窄线宽激光器进行激发制备；理论分析表明，当耦合激光波长在508nm至518nm范围内调节，

可实现到不同的里德堡态的跃迁（主量子数n=20~100）。铷原子从基态（5S1/2）到第一激发态（5P3/2）

再到里德堡态nS和nD态的跃迁，可通过波长分别为780nm和480nm的窄线宽激光器激发实现。理论分

析表明，当耦合激光波长在478nm至488nm范围内调节，可实现到不同的里德堡态的跃迁（主量子数

n=20~100）

具体操作时，需要两台稳频激光器实现双光子吸收的里德堡原子制备。其中一台激光器用于操控原

子实现从基态到第一激发态的跃迁，如铯原子从基态（6S1/2）到第一激发态（6P3/2）所需激光波长为

852nm；另一台激光器用于操控原子实现从第一激发态至里德堡态的跃迁。基本操作步骤包括：

1）将两台激光器频率精确锁定在该频率（波长）；基态到第一激发态的跃迁可以精确锁定在原子

饱和吸收谱，第一激发态至里德堡态的跃迁所需频率通过精密激光波长计进行监测，且频率可通过外腔

锁定；

2）调节两束激光的偏振为确定的圆偏振或者线偏振，及激光输出功率等参数；

3）调节光路，两束激光照射在原子；

4）同时被这两束激光作用的原子，可实现从基态到里德堡态的跃迁。

7

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附录C

（规范性）

三光子吸收法里德堡原子制备实施方案

三光子吸收激发是原子通过吸收三个不同能量的光子，借助两个中间态，由基态跃迁到目标里德堡

态（如nS1/2→nP1/2,3/2→nS1/2→nP1/2,3/2;nS1/2→nP1/2,3/2→nD3/2,5/2→nP1/2,3/2/nF5/2,7/2）。

铷原子从基态（5S1/2）通过中间态5P3/2和5D5/2再到里德堡态nP和nF态的跃迁，可采用波长分别为

780nm、776nm和1260nm的激光器进行激发制备。铯原子从基态（6S1/2）通过中间态6P3/2和7S1/2再到里

德堡态nS和nD态的跃迁，可采用波长分别为852nm、1359nm和790nm的激光器来实现。

具体操作时，需要三台稳频激光器实现双光子吸收的里德堡原子制备。其中一台激光器用于操控原

子实现从基态到第一激发态的跃迁，如铯原子从基态（6S1/2）到第一激发态（6P3/2）所需激光波长为852nm；

另外两台激光器用于操控原子实现从第一激发态6P3/2至第二激发态7S1/2、第二激发态7S1/2至里德堡态

nP1/2,3/2的跃迁。基本操作步骤包括：

1）将三台激光器频率分别精确锁定在基态到第一激发态的跃迁

频率、第一激发态至第二激发态、第二激发态至里德堡态的跃迁频率，频率锁定过程可采用原子跃迁线

的光谱以及光学腔作为频率参考；

2）调节三束激光的偏振为确定的圆偏振或者线偏振，及激光输出功率等参数；

3）调节光路确保三束激光共同作用在原子上；

4）同时被这三束激光作用的原子，可实现基态到里德堡态原子的制备。

8

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目次

前言..............................................................................II

1范围..................................................................................................................................................................1

2规范性引用文件..............................................................................................................................................1

3术语和定义......................................................................................................................................................1

4仪器设备..........................................................................................................................................................1

4.1一般要求...................................................................................................................................................1

4.2窄线宽激光器...........................................................................................................................................2

4.3光电探测器...............................................................................................................................................3

4.4信号采集仪器...........................................................................................................................................3

5制备步骤..........................................................................................................................................................3

6制备有效性检验..............................................................................................................................................4

6.1试验条件...................................................................................................................................................4

6.2主要表征指标...........................................................................................................................................4

6.3试验方法...................................................................................................................................................5

7试验报告..........................................................................................................................................................5

附录A（规范性）单光子吸收法里德堡原子制备实施方案.......................................................................6

附录B（规范性）双光子吸收法里德堡原子制备实施方案.......................................................................7

附录C（规范性）三光子吸收法里德堡原子制备实施方案.......................................................................8

I

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量子精密测量中里德堡原子制备方法

1范围

本文件规定了里德堡原子的制备方法，方法不限于冷原子和热原子系综。

本文件适用于基于里德堡原子的量子精密测量等领域。

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groundstates

电子处在离核最近的轨道上的量子态，也称为电子的稳定态。

3.2

激发态excitedstates

相对基态而言，电子处于能量较高的轨道上，其量子态称为激发态。

处于激发态的原子叫激发态原子。

3.3

里德堡态Rydbergstates

主量子数n较高（典型值n≥10）的量子态。

3.4

里德堡原子Rydbergatom

处于里德堡态的原子。

4仪器设备

4.1一般要求

所有仪器仪表应经过计量检定机构检定合格，并在有效期内。进入试验后定期进行计量复查，复查

合格后给出准用证。

1

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4.2窄线宽激光器

窄线宽激光器泵浦原子完成特定能级跃迁，包括半导体激光器、光纤激光器、钛宝石激光器等激光

器。激光器的输出激光波长（频率）及线宽、功率及其稳定度等都是激光器的主要参数。

1）单光子吸收激发

激光器数量：1台

激光波长：297（铷原子）或319nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于1mW

2）双光子吸收激发

激光器数量：2台

激光器1：

激光波长范围：780nm（铷原子）或852nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于10μW

激光器2：

激光波长范围：483nm（铷原子）或513nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于30mW

3）三光子吸收激发

激光器数量：3台

激光器1：

激光波长范围：780nm（铷原子）或852nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于10μW

激光器2：

激光波长范围：785±15nm（铷原子）或1425±75nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于50mW

激光器3：

激光波长范围：1375±125nm（铷原子）或800nm±50nm（铯原子）

线宽：≤100kHz

功率：不小于10μW

2

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4.3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，一般采用高增益、低噪声探测器。响

应波长范围、带宽、响应度、增益、噪声等效功率、饱和光功率、损伤光功率、输出电压、工作温度是

光电探测器主要参数。

波长范围：覆盖探测所需波长

带宽：不小于1MHz

噪声等效功率（NEP）：不大于10pW/√Hz

4.4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。两者可以根据实际需要选用。

5制备步骤

5.1由原子的基态制备到的里德堡态，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E

条件。常见的制备方法按照激发方式可分为如下三种，激发能级示意图如图1所示：

单光子吸收激发法：E=h……………..................................................................................（1）

双光子吸收激发法：E=h1+h2……………...........................................................................（2）

双光子吸收激发法：E=h1+h2+h3......................................................................................（3）

式中：

h⎯普朗克常数；

⎯单光子吸收激发中的激光频率；

1⎯双光子和三光子吸收激发中激光1的光子频率；

2⎯双光子和三光子吸收激发中激光2的光子频率；

3⎯双光子和三光子吸收激发中激光3的光子频率。

图1常见里德堡原子激发方式

图1中：

3

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n⎯主量子数；

nS1/2⎯角量子数为0且角动量量子数为1/2原子基态能级；

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；

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；

nF3/2，5/2⎯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。

5.2制备具有确定轨道角动量量子数l’的里德堡原子，在满足6.1的光子能量条件下，轨道角动量

量子数需要满足跃迁选择定则：l=1；

5.3制备具有确定总角动量量子数J的里德堡原子，在满足6.1和6.2的条件下，总角动量量子数

需要满足跃迁选择定则：J=1

5.4制备具有确定磁量子数m的里德堡原子，满足6.1、6.2和6.3的条件下，磁量子数需要满足跃

迁选择定则：m=0，1。实现m=0的量子态跃迁采用π偏振激发光；实现m=1的量子态跃迁采用+

偏振激发光；实现m=-1的量子态跃迁采用-偏振激发光。

上述单光子吸收激发法、双光子吸收激发法、三光子吸收激发法的里德堡原子制备实施方案遵照附

录A、附录B和附录C的规定。

6制备有效性检验

6.1试验条件

里德堡原子制备的推荐性实验室环境条件原则上应满足：

——温度：2