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

在现代物理学中，能够分离和操控单个量子系统的动力学过程是一个重要趋势。在光学物理领域，如单原子和光子的腔量子电动力学（QED）、冷却到运动零点的囚禁离子；在凝聚态物理领域，如具有离散电子能量的库仑阻塞现象。对于复杂量子系统的研究，关键在于让系统各组件以可控方式相互作用，同时将退相干降至最低。

从定量角度来看，如果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），那么实现强耦合是必要条件，即 $g > \rho = \max[\Gamma, \Gamma^{-1}]$，这里 $\Gamma$ 是相互作用时间，$\Gamma$ 是系统的退相干速率集合。

我们开展这项研究的主要动机是利用腔 QED 中的强耦合，推动量子测量以及新兴的量子信息动力学领域的研究。此前已有多个腔 QED 实验研究了单光子水平上原子与电磁场的非微扰相互作用，但这些实验大多使用原子束，每个原子通过时携带的信息 $I \sim 1$，因此需要对大量原子进行测量。而最近的一项重要进展是能够实时观测单原子轨迹，且 $I \gg 1$。

2. 实验系统与参数

我们使用的实验装置主要是一个法布里 - 珀罗腔，它由两个曲率半径为 10 cm 的超抛光球面镜构成，腔长为 10.1 $\mu$m，精细度 $F = 1.8 \times 10^5$。在这个腔中，相关参数如下表所示：
|参数|数值（MHz）|
| ---- | ---- |
|$g_0/2\pi$|120|
|$\kappa/2\pi$|40|