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单原子冷却及光学操控的实验进展


□ 王 婧 何 军 张天才 王军民

  摘 要文章综述了基于原子冷却与俘获的单原子制备及其光学操控的基本实验原理及实验进展,并介绍了单原子制备及光学操控在量子寄存器、单光子源、原子-光子纠缠等方面的应用,简述了文章作者所在研究小组在单原子制备和光学操控方面的实验进展.
  关键词单原子,光学操控,原子冷却与俘获,磁光阱,光学偶极阱
  
  Preparation and optical manipulation of single atoms 
  based on atom cooling and trapping*
  
  WANG JingHE JunZHANG Tian-|CaiWANG Jun-|Min
  (State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices,
   and Institute of Opto-|Electronics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)
  AbstractThe basic principles and experimental progress in single atom preparation and optical manipulation based on atom cooling and trapping are summarized. The applications of single atoms in atomic quantum registers, single photon sources and atom-photon entanglement are briefly presented. The basic schemes and the status of our single atom experiments are also described. 
  Keywordssingle atoms, optical manipulation, atom cooling and trapping, magneto-optical trap, optical dipole trap
  
  1 引言
  
  迄今为止,人类对物质世界的观测和研究大都建立在系综平均的基础之上.早在量子力学建立初期,费曼就曾设想能够在单离子、单原子(分子)水平上观测和研究物质世界.对于离子而言,可借助于库仑相互作用来捕获和操控,因而发展得较早.离子阱技术的出现和发展使得人类可以俘获并操控单个离子,并在频率标准方面的应用作了深入的研究.对中性原子分子而言,直到上世纪80年代,随着扫描隧道显微镜、原子力显微镜、光镊等技术的出现和发展,才使得人类得以在单原子(分子)水平上尝试对原子(分子)进行观测和操控.在固体界面上采用扫描隧道显微镜操控单原子,1993年,IBM公司的研究人员将48个铁原子排成一个环形量子围栏,并观测到了量子围栏内俘获的表面态电子所形成的驻波[1].光场与原子相互作用是控制原子运动状态的有效途径,采用激光冷却和俘获中性原子技术[2—4],目前已经可以在超高真空环境中将中性原子冷却到纳开尔文量级,甚至实现了玻色-爱因斯坦凝聚和费米量子简并;也可以借助于激光冷却与俘获技术来制备少数原子乃至单原子[5—9].与采用扫描隧道显微镜、原子力显微镜等在固体表面操纵单原子的方法相比,采用原子的激光冷却与俘获技术制备单原子并对其进行光学操控,可使原子几乎完全孤立(没有固体表面对原子所形成的复杂势场),并使其热运动降到极低水平,可获得较长的相干控制时间,更有利于在单原子水平上开展研究工作.
  基于原子冷却与俘获的单原子制备及其光学操控,正在使人类对物质的性质以及运动状态有着更深入、更彻底的了解,目前已成为量子光学和冷原子物理领域的一个交叉热点,也是对现有科学技术的一种挑战和超越.基于原子冷却与俘获,研究单个原子的有效制备及观测途径,研究对于单个原子的外部自由度及内部自由度的光学操控,在此基础上可研究与背景环境充分隔离的单原子这样的量子客体的辐射特性,研究单原子的量子态制备及控制,研究基于单原子操控的单光子辐射源,研究单原子在自由空间以及受限空间(小型乃至微型光学谐振腔)与光场的相互作用以及原子与光子的量子纠缠等,这些方面的研究,对于在单原子单光子水平上进行信息编码以及信息处理有着重要的意义和潜在的应用前景.
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摘自:物理 2008年第02期  
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