30、单原子实时腔量子电动力学研究

单原子实时腔量子电动力学研究

1. 研究背景与动机

现代物理学的一个重要趋势是对单个量子系统动力学过程的隔离和操控能力不断增强。在光学物理中，有单原子和光子的腔量子电动力学（QED）以及冷却到运动零点的捕获离子等例子；在凝聚态物理中，有具有离散电子能量的库仑阻塞现象。这些研究的关键在于让复杂量子系统的组件以可控方式相互作用，同时尽量减少退相干。若系统相互作用哈密顿量的非对角元素用((H_{int}) \sim \hbar g)表示（其中(g)是相干、可逆演化的速率），那么实现强耦合（(g > \rho = max[\Gamma, \Gamma^{-1}])，(\Gamma)为相互作用时间，(\Gamma)为系统的退相干速率集合）是必要条件。

在腔QED领域，多个实验研究了单光子水平下原子与电磁场的非微扰相互作用，其中(2g_0)是单光子拉比频率，(\Gamma = {\gamma_{\pm}, \kappa})（(\gamma_{\pm})是原子偶极衰减率，(\kappa)是腔场的衰减率）。然而，此前的实验都使用原子束，每个原子通过（持续时间为(T)）所提供的信息(I = \frac{S}{N} \sim 1)，因此需要对大量原子进行测量。例如，里德堡原子穿过微波腔并进行后续测量只能提供单个比特的信息。

近期，腔QED有了令人兴奋的进展，即能够实时观测单原子轨迹，且(I » 1)。该方法通过监测冷原子在高精细度光学谐振腔的镜子之间下落时探测光束的透射功率，原子与腔场的位置相关相互作用会显著改变探测光的透射情况。

2. 实验系统与参数

实验使用的法布里 - 珀罗腔由两个曲率半径为10 cm的超抛光球面镜组成，腔长为10.1 (\mu