近日，山西大學(xué)光電研究所、量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實驗室腔量子電動力學(xué)研究團(tuán)隊在單原子陣列與光學(xué)腔強(qiáng)耦合的量子調(diào)控方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊在實驗上首次實現(xiàn)了具有確定數(shù)目的一維單原子陣列和高精度光學(xué)微腔的強(qiáng)耦合。該研究成果發(fā)表在《物理評論快報》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)]。

強(qiáng)耦合腔量子電動力學(xué)(QED)主要研究微尺度光學(xué)腔中物質(zhì)與光場的相互作用，并調(diào)控和測量該系統(tǒng)的量子現(xiàn)象。微光學(xué)腔能夠改變局域在其中的電磁場分布，抑制或者增強(qiáng)真空漲落對原子輻射行為的影響，從而提高單原子與光場的相互作用強(qiáng)度，幫助我們觀測單個原子和真空場的相互作用過程。該系統(tǒng)不但能夠用于基礎(chǔ)物理問題的研究，也能夠為量子信息技術(shù)提供豐富的量子資源并演示若干量子信息技術(shù)的關(guān)鍵器件。然而受到高品質(zhì)光學(xué)微腔制備、控制以及腔內(nèi)受限空間中單原子量子操控等技術(shù)限制，光頻區(qū)強(qiáng)耦合腔QED系統(tǒng)很長時間被限制在單個原子，擴(kuò)展到多原子陣列面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。而確定性單原子陣列是量子計算和量子模擬的重要系統(tǒng)，將單原子陣列與光學(xué)腔結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)更加豐富的量子現(xiàn)象，包括研究強(qiáng)耦合多體物理、演示量子計算模型以及分布式量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)等。然而，實現(xiàn)確定性的原子陣列與光學(xué)腔強(qiáng)耦合非常困難，需要在有限的空間精確地控制每個原子的位置，使其均勻穩(wěn)定地處于光學(xué)微腔駐波模式的波腹。到目前為止，文獻(xiàn)中報道的實驗工作最多實現(xiàn)了兩個中性原子與法布里-珀羅(F-P)腔或納米光子晶體腔的最大耦合。

圖1. 實驗裝置簡圖。（a）原子陣列與光學(xué)微腔強(qiáng)耦合實驗示意圖；（b）一維單原子陣列熒光圖像。