離子阱是一個強大而多功能的平臺，在量子信息處理(QIP)、精密光譜學和基礎物理測試等領域具有廣泛的應用。為了實現(xiàn)高保真量子信息處理，研究人員需要將離子的相關運動模式冷卻到盡可能低的溫度。電磁感應透明(EIT)冷卻可以提供較快的冷卻速率和較寬的冷卻帶寬，同時保持了較低低冷卻極限(n¯≈0.1)，使其成為大離子晶體量子計算和量子模擬的合適冷卻方法。然而，對于在低或中等磁場下具有高核自旋I>1/2的離子，由于難以找到孤立的Λ能級結構，如何實現(xiàn)有效的EIT冷卻是具有挑戰(zhàn)性的。
 

圖1.137Ba+的相關能級與打光方案
 

　　該工作中，研究人員演示了用137Ba+離子(I=3/2)進行EIT冷卻。研究人員修改了用于量子比特狀態(tài)初始化的激光設置，以在開放系統(tǒng)中執(zhí)行EIT冷卻。盡管在EIT冷卻過程中S態(tài)所有zeeman能級都涉及到動力學，但EIT泵浦光束同時作為再泵浦光束，將所有態(tài)保持在冷卻子空間中。研究人員在實驗上將單個137Ba+離子的兩種徑向模式聲子分別冷卻到0.08和0.15。通過使用相同的激光參數(shù)，研究人員進一步將五個離子鏈的所有徑向模式冷卻到接近基態(tài)。
 

圖2. 單離子與五離子冷卻結果
 

　　研究介紹了一種適用于在低磁場下具有高核自旋的離子種類的EIT冷卻方案，并成功在單個137Ba+離子和五離子鏈上實現(xiàn)了該方案，獲得了遠低于多普勒冷卻的平均聲子數(shù)極限。此方案可以自然地拓展到其他具有高核自旋的離子/原子種類，并且可為大規(guī)模高核自旋離子晶體提供有效的冷卻機制。
 

　　相關研究成果以“高核自旋離子的電磁誘導透明冷卻”(Electromagnetically Induced Transparency Cooling of High-Nuclear-Spin Ions)為題，于9月13日發(fā)表于《物理評論快報》(Physics Review Letters)。
 

　　清華大學交叉信息研究院2021級博士生黃傳薪、王晨曦為論文第一作者，交叉信息研究院副研究員周子超和段路明院士為論文通訊作者。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吳宇愷、侯攀宇，博士生張泓軒、胡鴻源、王祖卿、李世蛟，華翊量子公司成員毛志超博士。研究得到科技創(chuàng)新2030—“量子通信與量子計算機”重大項目、新基石研究員項目、清華大學篤實專項和啟動經(jīng)費的資助與支持。