光学腔内原子阵列及量子态的操控与测量

Cavity quantum electrodynamics is the basic method to study the interaction between atoms and light field, which also the fundamentals of quantum optics. As the ability of atomic control is getting better and better, the interaction between atom and light has reached the strong coupling regime, which means that the coupling between single atom and cavity is even much larger than the decay of either photons or atoms. Such a system contains rich physics and the strong coupling also provides the possibility of full control and measurement for atoms. We will investigate the following items: 1) Atom array construction and optical lattice with high stability in free space and its control; 2) Intracavity deterministic control from single atom to multiple atom array and its strong coupling to the cavity; 3) Quantum phenomenon in this multiple atom and cavity system; 4)The decay process in this quantum system. As the very fundamental system, such system has good coherence and controllbility, which can help us to understand the dynamics of the quantum state evolution, improve the manipulation ability and sensitivity of quantum states and provide new methods and techniques for quantum information and precision measurement.

腔量子电动力学是利用量子光学方法研究原子与光场相互作用的基本手段。随着原子操控能力的不断提高，光与中性原子相互作用已达到强耦合，即单个原子与场的相互作用强度远大于光子和原子的衰减。该系统不但蕴含丰富的物理现象，也使利用光场操控原子的水平达到了前所未有的程度，从而能够实现对原子内外态的确定性操控与测量。本项目将研究：1)高稳定性光学晶格的构建及自由空间中原子阵列的操控；2）光学腔中从单原子到多原子阵列的确定性操控及光与中性原子阵列强耦合的新途径；3）多原子与腔强耦合作用中的量子现象；4）探索多原子阵列与腔系统中退相干过程及量子模拟的新途径。作为研究物质-场相互作用的基本系统，强耦合腔QED以其良好的相干性和可操控性，能够帮助我们在基本层面上认识光子-原子耦合系统量子态演化的动力学行为，提高利用光场调控原子的能力，灵敏和高效地控制量子态，为量子信息和精密测量物理中的量子操控提供新的手段和方法。

腔量子电动力学是利用量子光学方法研究原子与光场相互作用的基本手段。随着原子操控能力的不断提高，光与中性原子相互作用已达到强耦合，即单个原子与场的相互作用强度远大于光子和原子的衰减。该系统不但蕴含丰富的物理现象，也使利用光场操控原子的水平达到了前所未有的程度，从而能够实现对原子内外态的确定性操控与测量。本项目的研究主要集中在高稳定性光学晶格的构建及自由空间中原子阵列的操控和多原子与腔强耦合作用中的量子现象。项目实施过程中我们全面掌握利用光学偶极俘获和控制高品质光学腔实现多原子与光场强耦合的关键技术，包括建立二维原子阵列，实现了49个原子的光学俘获以及相关的探测装置，建立了三魔术条件相干控制原子的方法，实现了单个原子高达T2=6秒的相干操控，对原子内态的相干操控与测量技术得到了显著提升，建立了多原子与光学腔的强耦合系统，实现了光学腔的高精度控制和测量，利用多原子与腔的强耦合系统，完成了单光子水平的光学无磁二极管，达到目前的最高隔离比和最低功率水平作为研究物质-场相互作用的基本系统。强耦合腔QED以其良好的相干性和可操控性，能够帮助我们在基本层面上认识光子-原子耦合系统量子态演化的动力学行为，提高利用光场调控原子的能力，灵敏和高效地控制量子态，为量子信息和精密测量物理中的量子操控提供了新的手段和方法。