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

近日，山西大学光电研究所、量子光学与光量子器件国家重点实验室腔量子电动力学研究团队在单原子阵列与光学腔强耦合的量子调控方面取得重要进展。该团队在实验上首次实现了具有确定数目的一维单原子阵列和高精度光学微腔的强耦合。该研究成果发表在《物理评论快报》上。[Yanxin Liu, Zhihui Wang, et al, Realization of Strong Coupling between Deterministic Single-Atom Arrays and a High-Finesse Miniature Optical Cavity,  Phys. Rev. Lett.  130, 173601 (2023)]。

强耦合腔量子电动力学(QED)主要研究微尺度光学腔中物质与光场的相互作用，并调控和测量该系统的量子现象。微光学腔能够改变局域在其中的电磁场分布，抑制或者增强真空涨落对原子辐射行为的影响，从而提高单原子与光场的相互作用强度，帮助我们观测单个原子和真空场的相互作用过程。该系统不但能够用于基础物理问题的研究，也能够为量子信息技术提供丰富的量子资源并演示若干量子信息技术的关键器件。然而受到高品质光学微腔制备、控制以及腔内受限空间中单原子量子操控等技术限制，光频区强耦合腔QED系统很长时间被限制在单个原子，扩展到多原子阵列面临许多技术挑战。而确定性单原子阵列是量子计算和量子模拟的重要系统，将单原子阵列与光学腔结合能够实现更加丰富的量子现象，包括研究强耦合多体物理、演示量子计算模型以及分布式量子计算和量子网络等。然而，实现确定性的原子阵列与光学腔强耦合非常困难，需要在有限的空间精确地控制每个原子的位置，使其均匀稳定地处于光学微腔驻波模式的波腹。到目前为止，文献中报道的实验工作最多实现了两个中性原子与法布里-珀罗(F-P)腔或纳米光子晶体腔的最大耦合。

图1. 实验装置简图。（a）原子阵列与光学微腔强耦合实验示意图；（b）一维单原子阵列荧光图像。