基于微光学腔的中性单原子量子态的操控

冷原子技术和微光学腔的发展为我们在单量子水平上操控原子提供了实验基础。本项目主要从实验上研究基于现有高品质光学微腔控制原子状态，包括外部自由度和内态的控制。这项研究一方面可以在确定性的和可以控制的环境下，研究单原子-光场相互作用的量子效应及退相干物理过程；另一方面，该项研究可以为发展量子寄存器、量子逻辑门等量子信息关键器件提供物理基础。项目主要研究：1）高精细度光学腔中单原子的确定性光学操控、单原子的输运；2）强耦合单原子的受激拉曼绝热通道（Stimulated Raman Adiabatic Passage,STIRAP）技术以及原子内态的制备；3）探索在单原子控制基础上研究光场-原子纠缠以及原子-原子纠缠行为。4）相关的单量子测量过程。该研究以现有量子光学与光量子器件国家重点实验室为平台和实验基础，将会推进我们在单量子控制和测量方面的研究并发展相关的超灵敏测试和分析技术。

本项目主要开展基于微光学腔的单原子操控与测量方面的实验研究。利用冷原子和腔的作用，实现原子状态的操控，进而研究在确定性和可以控制的环境下，单原子-光场相互作用的量子效应，为我们在单量子水平上操控原子提供了实验基础。通过几年的实施，我们取得了一系列的研究进展， 完成学术论文48篇，其中SCI论文35篇；申请发明专利5项，已获得1项授权，参与撰写著作2部(1部已出版)，省级科技奖励1项，鉴定成果1项。主要完成的工作包括：1）利用铯冷原子实现了单原子与微光学腔的强耦合，即单个铯原子与微光学腔的耦合大于腔内光子的损耗和原子本身的自发辐射损耗， 观察到单原子的真空Rabi分裂等基本的量子现象；2）利用强耦合系统测量了原子的若干参数，包括原子的温度、统计性质以及单原子质心轨道。实验上第一次实现了单个原子与腔内高阶非对称模式的强耦合作用，包括从TEM00到TEM30模式，从而消除了原子轨道的简并性，确定了单原子的轨道，并大幅度提高了测量精度；3）实现了微光学阱中单个原子的长时间控制与测量。我们建立了微尺度的光学偶极阱，完成了对单个原子长达分钟的控制，对单个原子测量的信噪比有了实质性的提高，获得了单原子辐射的强烈的反聚束效应，为相干操控单个原子的内态奠定了坚实的基础；4）研究了基于强耦合腔QED系统获得量子资源、实现量子纠缠转移以及量子信息的新途径。5）完成了单原子以及微光学腔的操控、测量等关键技术的改进，解决了一系列技术问题，申请国家发明专利6项，包括极低损耗的超镜损耗的测量、超稳定超高精细度微光学腔的制作方法、高精细度微光学腔的锁定装置及其锁定方法、Raman激光产生系统、单个原子成像的探测方法等，为在实验上深入研究单量子系统的行为奠定了基础。