GB∕T 43735-2024 量子精密测量中里德堡原子制备方法（正式版）

量子精密测量中里德堡原子制备方法2024-03-15发布2024-10-01实施I前言 2规范性引用文件 3术语和定义 14制备原理 5仪器设备 35.1激光器 35.2光电探测器 45.3信号采集仪器 46制备步骤 6.1环境条件 46.2操作方法 7制备有效性检验 57.1检验指标 7.2检验方法 8制备报告 5Ⅲ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/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。1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。基态groundstate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。激发态excitedstate相对基态(3.1)而言，原子处于较高能级状态的量子态。里德堡态Rydbergstate主量子数n较高(典型值n≥10)的量子态。里德堡原子Rydbergatom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△E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。2n)2,6:2nSi/nD/2,5/2nP₁z,3/2nS₁gnS₁/znS₁ga)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nPlz.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；nSyz——角量子数为0且角动量量子数为1/2原子基态能级；nD₃z,s/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；nFs/?./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△E见公式(1):△E——原子基态和里德堡态的能级差；h——普朗克常数；v——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△E见公式(2):△E——原子基态和里德堡态的能级差；h——普朗克常数；v₁——双光子吸收激发中所需激光1的频率；v₂——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△E见公式(3):△E——原子基态和里德堡态的能级差；h——普朗克常数；v₁——三光子吸收激发中所需激光1的频率；v₂——三光子吸收激发中所需激光2的频率；3v₃——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△l需要满足跃迁选择定则：△l=±1;制备具有确定总角动量量子数J的里德堡原子，总角动量量子数变化量△J需要满足跃迁选择定则：△J=±1。制备具有确定磁量子数m的里德堡原子，磁量子数变化量△m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σ偏振激发光；实现△m=-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：297nm±5nm(铷原子)或319nm±5nm(铯原子)。b)双光子吸收激发法激光器数量：2台。激光器1:——激光波长：780nm(铷原子)或852nm(铯原子);激光器2:——激光波长：483nm±5nm(铷原子)或513nm±5nm(铯原子);c)三光子吸收激发法激光器数量：3台。激光器1:——激光波长：780nm(铷原子)或852nm(铯原子);激光器2:——激光波长：785nm±15nm(铷原子)或1425nm±75nm(铯原子);激光器3:——激光波长范围：1375nm±125nm(铷原子)或800nm±50nm(铯原子);45.2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。——噪声等效功率(NEP):≤10pW/√Hz。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。6.1环境条件里德堡原子制备实验室环境应满足如下条件。——相对湿度：(50±20)%。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。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