单个中性原子的操控与精密测量

The system of strongly coupled cavity quantum electrodynamics provides the possibility of controlling single neutral atoms and makes the precision measurement of atoms on single particle level. The precision measurement includes the position and the speed of atoms and eventually realizes the full control of atoms, including the external and internal states of the atoms. Strongly coupled cavity QED, jointly with the techniques of cold atoms, quantum optics and single photon detection, has provided the foundation of deterministic control and measurement of atoms. The main researches of this project includes: 1) The long term control and precision measurement of single neutral atoms experimentally based on Cs atoms; 2) Precision measurement of single atom trajectory by atom-cavity interaction system; 3) Feedback control of single atoms by optical dipole traps; 4) Precision measurement by high-order transverse mode. The research of this project is significant and it can help us to understand the fundamental process of light and atoms and develop the means of precision control and measurement of atoms on single particle level. The system is very clean and one can make the comparison between the experimental results and the theory.

光频区强耦合腔量子电动力学系统为操控单个中性原子,在单粒子水平上对原子进行精密测量提供了可能，包括对原子的质心位置、速度等参数的精密测量，最终实现对原子内外态的全控制（Full Control）。强耦合腔量子电动力学结合超冷原子物理、量子光学和灵敏的单光子探测技术，为实现原子的确定性控制与测量奠定了基础。本项目将研究：1）以铯原子为对象，在实验上研究单个中性原子的长时间精密控制；2）通过原子与微光学腔中光场的作用，对单个原子质心运动的轨道进行精密测量；3）利用原子与光学腔作用的透射场，研究通过量子反馈控制原子的位置；4）利用单原子与光学腔中高阶模的作用，研究原子质心运动轨道（Atom Trajectory）的精密测量。这项研究将有助于我们深刻认识光与原子相互作用的基本过程，发展单粒子水平上原子精密操控和精密测量手段，具有重要的意义。系统的纯净性也有利于与理论进行严格的比较。

本项目主要围绕自由空间中微光学阱和微光学腔内单个原子的操控和测量开展实验研究。项目以铯原子为对象，在实验上研究单个中性原子的长时间精密控制，通过原子与微光学腔中光场的作用，对单个原子质心运动的轨道进行精密测量，利用单原子与光学腔中高阶模的作用，研究原子质心运动轨道（Atom Trajectory）的精密测量。通过三年的研究，实现了自由空间中单个原子内外态的操控，单个原子被长时间俘获，完成了腔内单个原子触发-俘获的反馈控制，实现了单个原子与腔内高阶横模的强耦合，利用强耦合系统实现了原子温度、轨道等若干参数的精密测量，对单个原子的轨道测量精度达到100纳米，腔的Q值达到4×10^7。单个原子的内态相干时间达到10ms左右。项目实现了原定的技术目标，包括微米级光学偶极阱的构建和原子操控时间的增加，原子相关参数的精密测量、腔内偶极阱的建立及腔致冷却延长原子的驻留时间，还对原子的内态进行了操控与精密测量；构建了新的腔QED系统，提出了原子操控的新方案。在Appl Phys Lett, Phys Rev A等刊物发表论文18篇（其中SCI 17篇），申请专利4项，其中2项已授权；参与出版著作1部。2名学生获得博士学位、5名学生获得硕士学位(其中1名获得省级优秀博士论文,一名获得省级优秀硕士论文)。本项目全面完成了预定任务，达到了预期目标。