张天才-李刚教授团队在单原子阵列与光学腔强耦合的量子调控方面取得重要进展

近日，量子光学与光量子器件国家重点实验室张天才、李刚教授带领的腔量子电动力学研究团队在单原子阵列与光学腔强耦合的量子调控方面取得重要进展。该团队在实验上首次实现了具有确定数目的一维单原子阵列和高精度光学微腔的强耦合。4月28日，该实验研究成果发表在《物理评论快报》上。[Yanxin Liu, Zhihui Wang, et al, Realization of Strong Coupling between Deterministic Single-Atom Arrays and a High-Finesse Miniature Optical Cavity, Phys. Rev. Lett. 130, 173601 (2023)]。

强耦合腔量子电动力学(QED)主要研究微尺度光学腔中物质与光场的相互作用，并调控和测量该系统的量子现象。微光学腔能够改变局域在其中的电磁场分布，抑制或者增强真空涨落对原子辐射行为的影响，从而提高单原子与光场的相互作用强度，帮助我们观测单个原子和真空场的相互作用过程。该系统不但能够用于基础物理问题的研究，也能够为量子信息技术提供丰富的量子资源并演示若干量子信息技术的关键器件。然而受到高品质光学微腔制备、控制以及腔内受限空间中单原子量子操控等技术限制，光频区强耦合腔QED系统很长时间被限制在单个原子，扩展到多原子阵列面临许多技术挑战。而确定性单原子阵列是量子计算和量子模拟的重要系统，将单原子阵列与光学腔结合能够实现更加丰富的量子现象，包括研究强耦合多体物理、演示量子计算模型以及分布式量子计算和量子网络等。然而，实现确定性的原子阵列与光学腔强耦合非常困难，需要在有限的空间精确地控制每个原子的位置，使其均匀稳定地处于光学微腔驻波模式的波腹。到目前为止，文献中报道的实验工作最多实现了两个中性原子与法布里-珀罗(F-P)腔或纳米光子晶体腔的最大耦合。

图1：实验装置简图。（a）原子阵列与光学微腔强耦合实验示意图；（b）一维单原子阵列荧光图像。

该团队在国内率先开展了单个中性原子操控以及光频区强耦合腔QED方面的实验研究工作。该团队克服了一系列技术困难，通过大视场高分辨的显微物镜及其光学系统的研发，建立了可扩展的单原子量子操控实验平台，实现了单原子内态的量子操控[Gang Li, et al, Phys. Rev.Lett. 123, 253602 (2019)]；通过构建光学微腔系统，获得了单个原子与光学腔的强耦合[Pengfei Yang, et al, Phys. Rev. Lett. 123, 233604 (2019)]。最近，研究团队将单原子阵列与光学微腔操控结合起来，克服了一系列的技术挑战，首次实现了一维单原子阵列与高精细度微腔之间的强耦合，在单原子水平上观测到确定性多原子与真空作用导致的真空拉比分裂。

图2：确定性多原子与光学微腔强耦合的观测。（a）原子数从1到8的真空拉比分裂光谱；（b）光与原子相互作用集体增强效应与原子数的关系验证。

该团队建立了1×11的一维光镊阵列，通过原子冷却，获得了单原子阵列。将此单原子阵列置于高精度的光学微腔中，通过在光学腔中精确控制原子阵列的位置和间距，实现了原子阵列与光学腔的强耦合（图1），在实验上观测到原子数从1到8的真空拉比分裂，从而在单原子水平上确定性地验证了由量子光学家Girish S Agarwal 预言的光与原子相互作用过程中著名的根号N关系（N为原子个数，图2）[Girish S Agarwal, Phys. Rev. Lett. 53, 1732 (1984)]。确定性多原子与光学腔强耦合的实现，为研究强耦合多体相互作用、Tavis-Cummings模型下的多原子多光子动力学行为、基于多原子量子比特的量子网络以及由光子诱导的相互作用下的多体物理等奠定了基础。

该工作由张天才教授和李刚教授带领的腔量子电动力学研究团队独立完成，论文的通讯作者为李刚教授、张鹏飞教授和张天才教授，博士生刘岩鑫和博士后王志辉为论文的第一作者。该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、山西省“1331”工程重点学科建设基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室（山西大学）以及省部共建极端光学协同创新中心（山西大学）的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.173601