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自由中性的单原子是用于存储和处理量子信息最有前途的候选者之一。目前用于囚禁中性原子的作用力主要有三种：激光辐射压力(磁光阱)、光场与原子感应电偶极矩的作用力(偶极阱)和磁场与原子固有磁偶极矩的相互作用力(磁阱)。磁光阱的势深不超过1 K，偶极阱的势深不超过10 mK，而磁阱的势深不超过1 K。由于不存在原子之间的相互作用，单原子阱不仅在量子信息和量子模拟中有应用前景，还为原子物理研究在提供了理想的实验体系。实现单个中性原子的囚禁方案主要依靠激光辐射压力和电偶极矩力的作用。

单原子磁光阱

采用磁光阱囚禁单个中性原子主要有两种不同方法：主动反馈技术囚禁和增大四极磁场梯度的囚禁。主动反馈囚禁：当磁光阱中无原子时，使用光辐射压力推载原子到囚禁区。增大四极磁场梯度方法：降低从背景装载原子的速率，直到和背景碰撞导致的损失速率相当，从而获得少数的原子。磁光阱形成的势场是耗散性势场，其囚禁的单个原子退相干严重，不能制作为原子量子比特，一般作为向偶极阱或磁阱中装载的原子源。

单原子自由空间偶极阱

磁光阱囚禁原子主要靠辐射压力，偶极阱囚禁原子主要取依赖于偶极力。因此，普通磁光阱适于囚禁数以百万计原子团，但它不适合用于囚禁和操纵单个原子，而光学偶极阱则更适于囚禁单个原子。偶极阱囚禁的单原子是实现量子比特、单光子源的候选载体。得益于空间光调制器，囚禁激光束可以被调制为任何设计图案，研究组于2009年利用空间光调制器实现了单个铷原子光阱，并对光阱中单原子进行了旋转操纵，所采用的实验装置如图1所示，实验结果如图2所示。

图1囚禁和旋转单原子的实验装置示意图。

图2 单原子在环型晶格中旋转的调制荧光信号。a)频率为15Hz的单原子旋转信号; b)第1秒钟为6Hz的单原子旋转信号，第2秒钟为12Hz 的双原子旋转信号；c)环型晶格中不同空间位置探测到的单原子旋转信号。

 

除了研究单个原子的特性，还可以同时囚禁两个原子来研究两体问题，或者在环形光晶格中囚禁几个原子，为研究少体问题提供便利。环形光晶格势阱的设计图案及实际照片如图3所示。研究组实现了单原子双色远失谐偶极阱，通过蓝失谐与红失谐光偶极势的叠加形成光偶极阱(图4)，使微型光阱中单个原子经亚多普勒冷却后进入兰姆-迪克区，随后将Carr-Purcell- Eiboom-Gill脉冲序列引入实验中，通过在两个p/2脉冲间的特定时刻加入一系列的p脉冲，使单原子相干时间得到延长，首次在中性单原子体系上实现动态退耦操作。

图3 (a)产生环状光晶格的全息设计图案;(b)CCD像机拍摄到的光阱对应的光强度分布。

 

 

图4 聚焦后的面包圈状势阱(a)和径向对称高斯势阱(b)的图像，势阱的LG10线轮廓拟合(c)和高斯线线型拟合曲线(d)。

 

单原子实验装置