山西大学实现一维单原子阵列和高精度光学微腔的强耦合

山西大学研究团队在国内率先开展了单个中性原子操控以及光频区强耦合腔QED方面的实验研究工作。该团队克服了一系列技术困难，通过大视场高分辨的显微物镜及其光学系统的研发，建立了可扩展的单原子量子操控实验平台，实现了单原子内态的量子操控[Gang Li, et al,  Phys. Rev.Lett. 123, 253602 (2019)]；通过构建光学微腔系统，获得了单个原子与光学腔的强耦合[Pengfei Yang, et al,  Phys. Rev. Lett.  123, 233604 (2019)]。最近，研究团队将单原子阵列与光学微腔操控结合起来，克服了一系列的技术挑战，首次实现了一维单原子阵列与高精细度微腔之间的强耦合，在单原子水平上观测到确定性多原子与真空作用导致的真空拉比分裂。

图2. 确定性多原子与光学微腔强耦合的观测。（a）原子数从1到8的真空拉比分裂光谱；（b）光与原子相互作用集体增强效应与原子数的关系验证。

该团队建立了1×11的一维光镊阵列，通过原子冷却，获得了单原子阵列。将此单原子阵列置于高精度的光学微腔中，通过在光学腔中精确控制原子阵列的位置和间距，实现了原子阵列与光学腔的强耦合（图1），在实验上观测到原子数从1到8的真空拉比分裂，从而在单原子水平上确定性地验证了由量子光学家Girish S Agarwal预言的光与原子相互作用过程中著名的根号N关系（N为原子个数，图2）[Girish S Agarwal,Phys. Rev. Lett. 53, 1732 (1984)]。确定性多原子与光学腔强耦合的实现，为研究强耦合多体相互作用、Tavis-Cummings模型下的多原子多光子动力学行为、基于多原子量子比特的量子网络以及由光子诱导的相互作用下的多体物理等奠定了基础。

该工作由张天才教授和李刚教授带领的腔量子电动力学研究团队独立完成，论文的通讯作者为李刚教授、张鹏飞教授和张天才教授，博士生刘岩鑫和博士后王志辉为论文的第一作者。该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、山西省“1331”工程重点学科建设基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室（山西大学）以及省部共建极端光学协同创新中心（山西大学）的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.173601