芮俊
其他联系方式
邮箱：
科学研究
超冷分子的量子调控是新科学前沿，它传承与离子、原子等物质的激光冷却与量子调控，但是由于分子自身的特殊性质，又带来很多新的可能性。超冷极性分子由两个质量不等的原子组成，由于其电子云分布不对称，使得它具有内秉电偶极矩，这使得极性分子之间可以自发形成长程(1/r^3)、偶极相互作用。极性分子电子、振动、转动的绝对基态具有长寿命，因此可以在光势阱或者光晶格中长时间巡游；其转动态和第一转动激发态可以编码自旋1/2体系，并且具有自发的长程自旋交换相互作用。因此量子简并的低熵值极性分子气体蕴含了很多超冷原子量子气体难以企及甚至无法实现的强关联多体物理现象，如Wigner晶体态、分数Mott绝缘体、超固态相、D波自旋单态超流等等。
超冷分子的冷却制备、稳定碰撞、蒸发冷却、相干调控、高效探测等曾经一直是该领域的实验瓶颈，特别是超冷分子曾普遍受困于短程化学碰撞损失，导致国内外超冷分子实验研究普遍经历了绝望之谷。但是近年来人们陆续取得技术上的突破，比如通过直流电场共振、微波屏蔽等方法构建分子长程碰撞势垒、实现分子气体蒸发冷却，或者发展窄跃迁魔术光波长技术大幅提升分子转动态相干时间，或者发展单原子分辨量子气体显微镜技术间接测量单个分子的位置和内态信息。得益于诸多实验技术的突破，国外研究组已经先后实现超冷极性分子的费米简并量子气(美国JILA，德国MPQ)和玻色爱因斯坦凝聚(美国Coulmbia)这两个关键里程碑，学术界已经重拾了对超冷极性分子的研究信心。
Nature Physics杂志在2024年5月16日刊登了四篇超冷分子领域的系列综述文章，总结了该领域近十年来的重要进展以及对未来的展望，为公众提供了一个对该领域的全览。这四篇综述分别为：
[制备与调控] Quantum state manipulation and cooling of ultracold molecules
[量子化学] Ultracold chemistry as a testbed for few-body physics
[量子模拟] Quantum computation and quantum simulation with ultracold molecules
[量子传感] Quantum sensing and metrology for fundamental physics with molecules
更早之前对该领域的回顾综述文章还有如下：
Bohn et al., Cold molecules: Progress in quantum engineering of chemistry and quantum matter, Science 357, 1002-1010 (2017)
Moses et al., New frontiers for quantum gases of polar molecules, Nature Physics 13, 13-20 (2017).
目前，我们的实验平台致力于综合发展原子和分子单量子调控和测量的技术，实现低熵值超冷极性分子气体的制备，以期能够在长程相互作用主导的多体物理系统这个物理学新领域实现一定的实验突破。
[2] 基于锶原子大规模光镊阵列的量子模拟与量子计算实验研究
锶原子最外层具有两个电子，因此其存在单重和三重两套近乎独立的电子能级，其中基态1S0与3P0亚稳态双重禁界、理论线宽为零，光镊装载的锶原子阵列能够利用其钟态跃迁进行单原子级别的量子精密测量研究[1,2]。实验上我们还能够利用317nm等紫外单光子跃迁将3P0钟态耦合至里德堡态；由于Sr88原子没有核自旋，里德堡能级极其纯净，同时单光子跃迁强度大，这使得Sr88原子目前在两原子贝尔态保真度、两比特量子门保真度这两个关键指标上可以达到国际上光镊阵列技术路线最高的99.7%水平[3,4]，并且有望近期内提升至99.9%。利用Sr88原子的里德堡长程耦合配合698nm钟态跃迁，可以实现钟态跃迁的自旋压缩[5]、纠缠增强光钟[6,7]等量子增强精密测量重要应用。但是由于Sr原子钟态跃迁的保真度对原子运动敏感，因此不适合用来编码量子比特发展量子计算，目前学术界正在积极发展三重态中的3P0与3P2亚稳态编码量子比特的新技术路径[8,9]，其中可以使用单重态进行线路中无串扰高速荧光测量，同时可以使用三重态3P1进行线路中无串扰冷却。
另一方面，光镊锶原子阵列也是进行里德堡态长程多体物理研究的理想平台[10,11]。其中里德堡S与里德堡P态能够通过自发交换微波虚光子而产生很强的长程偶极相互作用，该物理机制蕴含了丰富的多体量子物理现象；锶原子里德堡态可以被光阱属于，这使得锶里德堡态可实现的相干演化时间能够显著优于碱金属原子，这为偶极长程自旋输运、量子自旋液体等重要物理问题的研究提供了重要平台。
本课题组由陆朝阳教授与芮俊教授共通领导，专注致力于发展基于锶原子的高精度里德堡态量子模拟与新型量子态编码的量子计算技术研究，诚挚邀请年轻学生、博后加入。
[1] Norcia et al., Seconds-scale coherence on an optical clock transition in a tweezer array. Science 366, 93-97 (2019)
[2] Young et al., Half-minute-scale atomic coherence and high relative stability in a tweezer clock. Nature 588, 408-413 (2020)
[3] Scholl et al., Erasure conversion in a high-fidelity Rydberg quantum simulator. Nature 622, 273 (2023)
[4] Tsai et al., Benchmarking and linear response modeling of high-fidelity Rydberg gates. PRX Quantum 6, 010331 (2025)
[5] Eckner et al., Realizing spin squeezing with Rydberg interactions in an optical clock. Nature 621, 734-739 (2023)
[6] Cao et al., Multi-qubit gates and 'Schr\"odinger cat' states in an optical clock. Nature 634, 315 (2024)
[7] Finkelstein et al., Universal quantum operations and ancilla-based readout for tweezer clocks. Nature 634, 321 (2024)
[8] Pucher et al., Fine-Structure Qubit Encoded in Metastable Strontium Trapped in an Optical Lattice. PRL 132, 150605 (2024)
[9] Tao et al., Universal gates for a metastable qubit in strontium-88. arXiv:2506.10714 (2025)
[10] Chen et al., Continuous Symmetry Breaking in a Two-dimensional Rydberg Array. Nature 616, 691-695 (2022)
[11] Bornet et al., Scalable spin squeezing in a dipolar Rydberg atom array. Nature 621, 728-733 (2023)
