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内腔多原子直接俘获的强耦合腔量子力学系统的构建
物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 24 (2014) 244203 内腔多原子直接俘获的强耦合腔量子 力学系统的构建? 文瑞娟 杜金锦 李文芳 李刚 张天才 (山西大学光电研究所, 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 太原 030006) ( 2014 年6 月3 日收到; 2014 年8 月22 日收到修改稿) 腔内中性原子的长时间控制与俘获一直是腔量子电动力学(QED) 中的一个难题, 极大地制约了人们相干 操控单原子及其与光相互作用的研究. 本文基于传统Fabry-Perot 光学腔, 设计了一套易于内腔原子操控的强 耦合腔QED 系统, 其典型参数为: 腔长3.5 mm 精细度约为57000, ( MHz, 临界光子数和原子数分别为1.54 和0.89. 该系统的特点是: 能够在腔内直接实现冷原子磁光阱, 并建立腔内 光学晶格, 实现腔内可控数目的中性原子的长时间俘获. 通过合理选择构建光学偶极阱和原子成像系统, 可 实现对腔内单个原子或原子阵列的操控、探测、成像等. 该系统可以克服传统腔QED 系统中转移原子的困难, 大幅增加腔内原子的寿命, 为构建以腔QED 系统为基础的量子信息演示平台提供了一种可能. 关键词: 腔量子电动力学, 磁光阱, 原子俘获, 光学晶格 PACS: 42.50.Pq, 37.10.–x, 37.10.Gh, 37.10.Jk DOI: 10.7498/aps.63.244203 组成的高精细度微腔内实现的, 腔的精细度可以 1 引 言 12 达到几万到几十万甚至更高 , 高精细度微光学 腔作为一种常见的光学系统, 在研究受限空间内 过去几十年来, 将单个原子置于光学腔内研 原子与场的相互作用的量子行为方面取得了突出 究物质与光场的相互作用, 取得了很大的进展. 由 贡献, 在相干操控原子与场相互作用的量子行为、 两片或者多片低损耗镜片组成的光学腔在腔量子 精密测量、量子信息等方面具有重要意义, 该系统 电动力学(QED)、激光技术、精密测量等领域扮演 可以产生很强的原子与腔耦合, 甚至可以达到强 着重要的角色. 围绕光学腔的研究主要有两个方 耦合. Kimble 研究组3 于1992 年在光频区利用热 面: 1) 将大量原子分子介质置于光学腔内, 实现由 多原子分子与腔模的相互作用, 这在激光技术、光 原子束实现了光学腔与单原子的强耦合相互作用, 谱学等领域发挥着重要的作用, 在这样的系统中, 然而小于微秒量级的原子与腔模相互作用时间以 单个原子分子本身与腔模的耦合往往是很小的; 虽 及腔内原子数目的不确定性大大限制了对这一过 然也有人试图通过提高腔的品质, 把大量冷原子 程的深入研究. 激光冷却与俘获技术的出现极大 压缩到很小的空间, 实现很强的耦合, 但是由于模 地推动了光频区腔QED 的发展4 , 近年来, 基于 体积太大, 该系统中单粒子与腔模的耦合很难达 磁光阱(magneto-optical trap, MOT) 作为原子源 到强耦合, 即耦合强度大于
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