高品质环芯微腔与中性原子强耦合的实验研究

Strong-coupled cavity quantum electrodynamics (Cavity QED) system with single emitter has been a wonderful tool to explore fundamental problems of many quantum system, precision measurements, quantum metrology and quantum information processing. Microtoroidal cavities coupled with tapered nanofiber make cavity QED system possible to be more smaller and integrated，which can not only demonstrate and explain many new quantum problems with multi-cavities or multi-atoms but also become a candidate for quantum information and quantum simulation. So many researchers focus on microtoroidal cavity. Main proposal of the project is: 1) Fabrication of tapered nanofiber with diameter few hundreds of nanometers; 2) Fabrication of high-Q microtoroidal cavity which is resonated with Cesium atom transition line; 3) Single atom dipole trap near microtoroidal cavity and precise control of distance between cavity and atom; 4) Strong coupling between microtoroidal cavity and single atom; 5) Demonstration of quantum logic gate based on strong coupling between microtoroidal cavity and single atom. On the basis of these researches, we can build a strong-coupled cavity QED system based on microtoroidal cavity and single neutral atom for quantum internet and simulation.

强耦合腔量子电动力学系统尤其是确定性单粒子水平操控的系统已经成为量子物理的基本问题，是进行精密测量、量子计量、量子信息过程的重要手段。其中高品质环芯微腔结合纳米光纤波导使得强耦合腔量子电动力学系统小型化、集成化成为可能，并易于与光纤通讯系统兼容。此类系统可以进一步阐释和验证多腔多粒子的量子问题，而且能够演示量子信息和量子模拟的若干性质，所以环芯微腔与单原子确定性强耦合成为腔QED新的研究方向。主要研究内容：1)直径为百纳米量级纳米光纤的制作；2)铯原子跃迁线对应的高品质环芯微腔的制作；3)环芯微腔表面单原子的偶极俘获及其与腔距离进行精确控制；4)原子与环芯微腔的强耦合实现及单原子探测；5)探究利用强耦合环芯微腔实现单原子特定量子态的制备并进行量子逻辑门相关的实验研究。通过这些研究，可以建立高品质环芯微腔与中性单原子强耦合的腔量子电动力学系统并为多腔集成的量子信息网络和量子模拟研究奠定基础。

强耦合腔量子电动力学系统尤其是确定性单粒子水平操控的系统已经成为量子物理的基本问题，是进行精密测量、量子计量、量子信息过程的重要手段。本项目的主要研究围绕高品质环芯微腔结合纳米光纤波导的实验系统，在高品质纳米光纤制作、纳米光纤与环芯微腔耦合、纳米光纤对冷原子的灵敏测量等方面圆满完成了项目任务，同时在相关实验技术方面取得了显著进展。首先，我们搭建了纳米光纤制作装置并实现了直径小于400纳米的锥形纳米光纤的制作。另外，实现了锥腰长度达到22mm的锥形纳米光纤的制作；其次，在纳米光纤的基础上，我们将半球形尖端微米光纤探针与纳米光纤结合，构成复合光子学微纳系统实现纳米光纤直径的无损测量，研究了半球形尖端微米光纤探针对纳米光纤倏逝场和散射损耗的影响，利用此复合系统搭建了光学宽调谐带通滤波器；再次，我们实现了纳米光纤与回音壁模式光学微腔的耦合，微腔类型包括微环芯腔、纳米光纤环形腔、纳米光纤微环腔和化学合成微球腔；在以上研究成果的基础上，我们实现了纳米光纤与冷原子的耦合，实现了真空中纳米光纤对磁光阱中冷原子团的荧光收集，并利用纳米光纤收集的冷原子荧光对磁光阱进行了实时优化，利用光谱差拍探测系统测量纳米光纤振动频率；最后，我们提出基于毛细管微结构的单原子偶极力阱的实验方案及毛细管微结构的实验研究。上述的研究成果为光子学腔量子电动力学进一步的深入研究打下良好基础。