强耦合腔量子电动力学中单原子的精密测量

The precise real-time measurement of the single neutral atoms, such as trajectory and velocity measurements, is a challenging work. It provides a good platform for demonstrating the interaction between photons and matters, and it is also significant for the control of single atom state and quantum information process on single quanta level. Strong coupling between single atom and high-finesse optical microcavity provides a convenient tool of the precise real-time measurement of the single neutral atoms. By using the microcavity one can get the information about single atom trajectory and velocity. Moreover, feedback control of single atom will become possible. The main proposal of the project is: 1) Trajectory measurement of the single neutral atoms deterministically using the tilted high-order transverse cavity mode of a high-finesse optical microcavity in three-dimensional trajectory. 2)Dipole traps of single atom in the microcavity. 3) Precision control of singe atom position using optical conveyor belt and improve the precision. 4) Control single atom trajectory using quantum feedback. On the basis of these researches, we want to finish the precision measurement of single atom and provide a good tool for full control of single atom.

对单个原子质心轨道、速度等信息的实时精密测量及反馈控制不仅能够帮助我们更好地研究光与物质相互作用的基本过程，对原子内态的操控和在单粒子水平上演示若干量子信息过程也有着重要的意义。对单个中性原子的精密测量一直是一个极具有挑战性的问题。单原子与微光学腔强耦合为研究此类问题提供了很好的手段。利用光学腔的增强效应可以获得单原子的轨道和速度等信息，并为反馈控制原子提供了可能。本项目主要研究：1)利用微光学腔中非对称的高阶横模测量单原子自由下落时的质心轨道，获得原子质心轨道的三维信息；2)微光学腔内光学偶极阱的构建及单原子俘获，利用高阶横模测量原子在腔中的质心轨道，并提高测量精度；3)利用微光学腔径向一维光学原子传送带精确控制原子在腔中的位置，进一步提高轨道测量精度；4)探索利用原子轨道信息实现量子反馈。通过这些研究，实现利用高品质微光学腔对单原子的精密测量，为进一步实现单原子的全控制提供了新的手段。

单个原子质心轨道、速度等信息的实时精密测量及反馈控制对研究光与物质相互作用、演示量子信息有着重要的意义。本项目的主要研究围绕单个原子的精密测量展开，在原子轨道精密测量、冷原子团温度测量及腔内单原子的俘获控制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，完成了利用微光学腔中非对称的TEM01、TEM02、TEM03等更高阶横模测量单原子自由下落时的质心轨道，获得了三维轨道信息；其次，对冷原子团自由下落进入腔模进行了蒙特卡洛模拟，得到了与实验符合很好的模拟结果，从而得到了不受系统参数限制的冷原子温度测量方法；最后，完成了微光学腔内光学偶极阱的构建及单原子俘获，将腔中原子寿命由100微秒提高到约7毫秒。上述的研究成果为单原子精密测量进一步的深入研究打下良好基础。