（光学专业论文）强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量.pdfVIP

i 中 文 摘 要 中 文 摘 要 腔量子电动力学（腔 qed）是研究受限空间中物质与电磁场相互作用的学 科, 其基本模型即单个原子和腔场相互作用的 j-c 模型。 腔量子电动力学系统 是在实验室环境下获得单个原子与场强耦合的重要量子系统。自从 e. m. purcell 在上个世纪 40 年代发现原子自发辐射受到环境影响的效应到现在， 腔 qed 的发 展得益于原子分子操控能力的提高并极大地推动了原子分子物理和量子光学的 发展。腔 qed 实验上的进展解释和验证了大量的量子力学基本问题。当原子和 腔场的相互作用强度达到强耦合条件时， 单个原子进入腔场就可以在很大程度上 影响腔场的分布，因此利用强耦合腔 qed 系统可以实现对单原子的灵敏探测。 此外强耦合腔 qed 系统被用于产生和操控多种量子资源，比如确定性的可控单 光子源，它是实现量子信息和量子通讯的重要资源。通过强耦合腔 qed 系统可 以实现原子内态的控制，例如通过真空受激绝热拉曼过程我们可以利用腔 qed 完成诸如光子-原子纠缠以及原子-原子纠缠态等。 原子-光子的强耦合也使得量子 态在原子和光子之间的相互映射得以实现， 从而为构建量子网络提供了一个理想 的试验场。多种量子态的产生和控制构成了量子信息交换和量子网络的基础，这 些量子资源和量子操控手段正在被应用到量子信息、精密测量和量子计量等方 面。 本文主要围绕单个中性原子与腔的强耦合的实现以及利用该系统对原子的 测量和控制展开的。主要工作如下： 1. 实现了单个中性铯原子与高品质光学微腔的强耦合。我们建立了一套腔 qed 实验系统，包括高精细度光学微腔系统、真空和冷原子系统、频率 链系统、探测系统和时序控制系统。高精细度光学微腔被置于真空系统 中。频率链系统用于精确控制微腔腔长。在微腔上方利用磁光阱俘获冷 原子团。冷原子在释放后自由下落穿越腔模。原子探测系统用来探测微 腔的透射信号。该系统的参数为 0 (, , )/2(23.9,2.6,2.6)gmhz =；临界 光子数和临界原子数分别为： 0 0.006m= =， 0 0.024n= =。 2. 利用强耦合腔qed系统实现了单个原子轨道的确定和精密测量。原子 进入微腔的高阶tem10横模并与之强耦合。tem10模的节线与原子轨道 并非垂直和平行，这帮助我们消除了原子穿越腔模的轨道简并从而确定 了唯一的单原子轨道。在离轴方向原子位置的精度达到100nm，垂直方 ii 向精度为5.6m。 该工作以rapid communications形式发表在phys. rev. a 83，031804(r) (2011)，并被physics以“free falling”为题作为亮点 工作报道。 3. 研究了蓝光导致原子解吸附效应（liad）对磁光阱中铯原子的装载过 程和原子数目的影响。实现了利用led蓝光控制原子装载，并在理论 上研究了liad的物理机制，对liad控制原子释放和对真空的影响作 了解释，理论与实验相符。这部分工作在phys. rev. a 80, 053420 (2009) 和 物理学报 59, 6423 (2010)上发表。 4. 将强耦合腔qed的高精细度光学微腔作为原子探测器，完成了对单个 铯原子的灵敏探测。实验中关闭微腔上方的磁光阱后冷原子由于重力自 由下落进入腔模。原子进入腔模时腔透射发生明显变化从而达到探测原 子的目的。具体工作内容可见chin. phys. lett. 28, 044203 (2011)。实验 中我们成功实现了原子与腔模的强耦合，得到单个原子与腔模耦合的平 均时间为110s。 5. 利用强耦合的腔qed系统实现了一种新的探测磁光阱中冷原子团温度 的方法。在实验中由于微腔可以对单个原子灵敏探测，故微腔充当了一 个单原子的点探测器。微腔上方磁光阱关闭后原子自由下落进入腔模。 我们根据统计原子达到腔模时刻的分布结果并利用理论模型拟合得到 冷原子团下落前的初始温度。这部分工作在j. opt. soc. am. b 28, 667 (2011)上发表。 6. 讨论了利用现有实验系统在腔内俘获单个原子和产生确定性单光子源 的实验方案并介绍了相关的实验进展。 关键词：关键词：腔量子电动力学；单原子；强耦合；原子温度；原子轨道 iii abstract cavity quantum electrodynamics (cavity qed) mainly focuses on the interaction between matter and electromagnetic field in a confined space. the basic model of cavity qed is the j-c model which treats the interaction between single atom and optical field inside a cavity. since the early discovery by e. m. purcell, who found that the spontaneous emission of an atom could be changed by the external environment in 1940s, cavity qed has made great development which benefited on the progress of the manipulation of atoms and molecules. as an important and subtle quantum system, cavity qed has greatly promoted the development of quantum physics and quantum optics. the cavity qed experiments have been a wonderful workhorse to explore the fundamentals of many quantum problems. when the interaction between single atom and cavity field reaches strong coupling regime, a single atom will have a big effect on the cavity transmission. strongly coupled cavity qed has improved the sensitivity of single atom detection. besides, it has been used in diverse areas such as generation of various quantum sources, for example, quantum entanglement and deterministic and controllable single-photon sources which are the foundation of quantum information process. quantum internal states can be well controlled and detected by using cavity qed, for example, quantum entanglement between atom and photon or atom and atom by using the iv vacuum-stimulated raman adiabatic passage (v-stirap). the condition of strong coupling is also necessary to achieve the reversible mapping of quantum states between atoms and photons, which provides the essential basis for quantum optical interconnects and is a fundamental primitive for quantum networks. moreover, cavity qed system can be used for precision measurements and quantum metrology due to its ability to manipulate various quantum states with high probability and fidelity. in this thesis, focusing on the realization of strong coupling between single neutral cesium atom and cavity and the measurement and control of single atom, we have finished some experimental works. the main works shown in the thesis are follows: 1. the strong coupling between single neutral cesium atom and cavity is obtained. we have built a cavity qed system,which includes high-finesse optical microcavity, vacuum and cold atoms system, frequency chain system, detection system and time sequence control system. the microcavity is placed in the ultra-high vacuum chamber. the length of cavity and the detunings are all controlled by the frequency chain system. cold atoms trapped in the magneto-optical trap are right above the center of the microcavity. the detection system is used to detect the transmission of cavity. the parameters of our system is 0 (, , )/2(23.9,2.6,2.6)gmhz =. the critical photon number and v the critical atom number are 0 0.006m= =and 0 0.024n= =, respectively. 2. we demonstrate the trajectory measurement of the single neutral atoms deterministically using the high-finesse optical microcavity. single atom strongly couples to a tilted high-order transverse vacuum tem10 cavity mode. thanks to the tilted tem10 mode, which breaks the spatial symmetry and it thus helps us eliminate the degenerate trajectory of the single atom falling through the cavity and obtain a unique atom trajectory. the position of the atom is measured with a high precision of 0.1m in the off-axis direction 5.6m in vertical direction in a time interval of 10s. the result is published in the form of rapid communication in phys. rev. a and is highlighted by physics of aps. 3. we demonstrate that light-induced atom desorption (liad) can be used for flexibly controlling the loading of magneto-optical traps (mot) of cesium atoms. a theoretical model based on an atom loading rate equation is built which can well explain the magneto-optical trap loading process with liad. the theoretical results are in good agreement with experiment. 4. we experimentally demonstrate sensitive detection of individual cesium atoms by using a high-finesse optical microcavity in a vi strong coupling regime. the atoms fall down freely in gravitation after shutting off the magneto-optical trap and pass through the cavity. the cavity transmission is strongly affected by the atoms in the cavity. the average duration of atom-cavity coupling is measured and is about 110 s. strong coupling between single atom and cavity field has been achieved. 5. we demonstrate an alternative method of measuring the temperature of cold atoms in magneto-optical traps using strong coupling cavity qed system. the microcavity is used as a point-like single-atom counter. the atoms fall down freely in gravitation after shutting off the magneto-optical trap and pass through the cavity. the temperature of the cold atoms in the mot is determined by counting the exact arrival times of the single atoms. a theoretical model based on a ballistic expansion of a cloud of trapped atoms falling in the earths gravitational field is used to fit the probability distribution of atom arrivals, and the temperature is obtained. 6. we discuss the scheme to trap single atom in the cavity by fort and the generation of deterministic single photon source based on our cavity qed system. key words: cavity quantum electrodynamics, single atom, strong coupling, temperature of cold atoms, atom trajectory 承诺书 119 承 诺 书 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立完成的， 学位论文的知识产权属于山西大学。如果今后以其他单位名义发表与在 读期间学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的 文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的成果。 作者签名： 20 年 月 日20 年 月 日 学位论文使用授权声明 121 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解山西大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许 论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位 论文。同意山西大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播论文的全 部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 作者签名： 导师签名： 20 年 月 日 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 引言 1.1 引言 光学是一门具有2000多年历史的悠久学科，随着近代科学的兴起，光学这 门古老的学科迎来了蓬勃的发展。其中是在1905年a. einstein提出 “光量子” 的假想成功地解释了光电效应1，成为量子物理的奠基人之一。而从1925年量 子力学建立以来，p. a. m. dirac，w. heisenberg，w. pauli等人相继提出了辐射 的量子理论，从而奠定了量子电动力学（qed）的基础。量子电动力学是主要研 究电磁场与物质相互作用基本过程的一门学科2，发展至今已经成为非常成功的 研究光与原子相互作用的工具，被人们视为人类了解自然最成功的典范之一。在 历史上成功的解释了原子自发辐射和受激辐射、电子反常磁矩、氢原子的兰姆位 移（lamb shift）等一系列问题，其理论计算和实验结果符合的程度之高是其它 科学领域难以达到的。尤其是在关于原子自发辐射问题的研究上，1916年a. einstein以及同时代的许多物理学家认为原子的自发辐射是其固有属性，并且是 一个不可控的非可逆过程。随后量子电动力学给出了很好的解释，即真空场对原 子的作用导致了原子自发辐射的发生。 对原子自发辐射和受激辐射研究的不断深 入促使1960年世界上第一台激光器的诞生，其对整个光学乃至物理学的意义是 不言而喻的。1946年e. m. purcell提出原子的自发辐射率在共振腔内要比自由空 间大的理论预言，这便开启了受限空间内物质与电磁波相互作用研究的大门3。 经过几十年的发展逐步发展成为 “腔量子电动力学力学 （腔qed） ” 这门学科4。 在腔量子电动力学中，最简单的过程是单个原子与单模腔场之间相互耦合的情 况，该过程尽管理论模型比较简单，但在实验上实现却非常困难，原因是对单个 原子的控制以及与腔的耦合在冷原子出现之前没有很好的办法。 在早期的研究中 人们一直停留在原子与腔场弱耦合的研究上。直到1985年腔量子电动力学研究 进入强耦合区， 并且伴随着新的技术手段的出现使得单个原子与腔的耦合真正进 入到强耦合，从而可以在单粒子水平上研究光与原子相互作用的量子行为。强耦 合区腔qed的研究验证了大量量子力学和量子光学中基本理论和预言，同时人 们从中看到了强耦合腔qed在量子信息科学、量子计量方面广阔的应用前景。 国际上腔qed在近年来取得了令人瞩目的成就，使之在光子与原子分子的量子 调控方面具有重要科学意义和应用前景。 强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量 2 1.2 强耦合腔量子电动力学研究进展 1.2 强耦合腔量子电动力学研究进展 1.2.1 从弱耦合到强耦合 1.2.1 从弱耦合到强耦合 如同其他科学研究一样， 腔量子电动力学的实验研究也是伴随着技术手段的 进步而发展的。在e. m. purcell提出谐 振腔内原子自发辐射率会发生改变的理 论预言后很长的一段时间内由于技术手段的限制， 这个问题一直停留在理论研究 阶段。 直到1970年k.h. drexhage第一次在实验中观测到染料分子在靠近介质材 料时衰减率会发生增强和抑制，从而验证了e. m. purcell的理论预言5。在随后 的实验中6, 7, 8人们第一次将原子放入腔内。这一阶段对原子自发辐射率改变特 性的实验研究引起人们很大的兴趣9,10。 腔qed发展过程中另外一个奠基性的理论工作是由e. t. jaynes and f. w. cummings完成的，即单个二能级原子与单模电磁场之间相互作用的“j-c模型” 11。 该模型随后又被推广到多原子的情况12,13。 但是这个模型没有考虑原子和电 磁场本身的衰减。当考虑这两种衰减后，在开放系统中的“j-c模型”能够更好 地反映实际系统。大量的腔qed的理论工作由此展开，而这一阶段的实验研究 主要集中在微波场与原子的相互作用方面14,15,16,17,18,19,20。但是微波场的腔qed 实验的一个重要环境是必须在极低的温度下进行，即采用低温超导腔。这就导致 微波场腔qed实验相对繁琐。 光频区腔qed由于其背景热光子数很低， 其在常 温下即可进行， 但是它对腔的要求比较高， 同时原子与腔模的耦合相对较难实现。 随着技术的不断发展光频区的实验也取得了一系列重要的成果。 实验中人们观测 到谐振腔内原子与光场相互作用的一系列现象， 如原子辐射的反聚束效应和亚泊 松统计18,21，真空拉比分裂22,23,24等。 以上的实验大部分是在弱耦合的情况下完成的。 随着原子操控技术和微光学 腔技术的发展， 腔qed的实验研究进入强耦合区。1985年德国g. muller研究组 第一次在微波区实现了强耦合16，随后1992年美国的h. j. kimble小组在光频 区也实现了强耦合24。 发展至今光与原子的耦合强度提高了8个数量级， 这可以 从反映耦合强度的另外一个参数即临界光子数近30年的变化看出，如图1.1所 示25，虚线以下为临界光子数小于1，即进入强耦合。其中实圆点是采用球面镜 片搭建的f-p腔系统，实四方块代表微球腔（microspheres） 系统，而空心方块 表示微结构环芯腔（microtoroidal cavity）系统。临界光子数越小，耦合强度越 大。本论文作者所在研究组山西大学量子光学和光量子器件国家重点实验室腔 第一章 绪 论 3 qed实验室所搭建的腔qed系统对应的临界光子数约为0.006， 如图1.1中蓝色 五星所示，达到了原子与光场的强耦合26。除了基于fabry-perot腔的腔qed系 统外，各种高品质微结构的制作，大大提高了原子与光场相互作用的强度，目前 人们已经在多种物理系统上实现了强耦合27。 图 1.1 腔 qed 系统临界光子数近 30 年的变化25 腔qed进入强耦合区对研究光与原子之间的相互作用，实现光子原子之间 的调控具有非凡的意义。强耦合使得腔qed成为研究量子物理基本问题、量子 退相干、量子态的制备操控和转移、量子信息等方面理想的试验场28,29,30，激发 了人们的浓厚兴趣。 强耦合相对于弱耦合一个重要的特点是单个粒子对整个系统 有着显著的影响，从而可以研究少量甚至单个量子（single quanta）的操控，特 别是单个原子与腔内光场的相互作用，即前述的j-c模型，可以在精确控制的环 境中得以实现，从而可以利用该平台验证量子物理的若干基本的问题。强耦合腔 qed系统成为研究光与原子相互作用，直观、准确地演示其中的若干纯量子效 应不可或缺的理想系统。强耦合带给腔qed另外一个实质性的改变是对单个粒 子量子态的制备和操控能力的大大提高， 从而强耦合可以决定性地控制原子和光 子的量子状态，实现特定的量子态制备，制备多种量子资源。而这些量子资源， 特别是量子纠缠是实现量子信息的基础。 通过对单个原子的操控可以将量子态的 信息转移到光子上获得特定的光子态。 俘获在腔内的单个粒子可以视为独立的节 强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量 4 点， 加之光子又是运送信息最好的载体以及量子态在原子与光子态之间相互映射 （state mapping）31，这使得强耦合腔qed成为演示量子信息处理（quantum information processing）和量子网络（quantum internet）的理想系统25。此外， 强耦合还可以大幅度提高量子态控制的精度和效率，实现超灵敏探测和控制，这 为腔qed在精密测量和量子计量等方面的应用研究开辟了新的方向。 1.2.2 从多原子到单个原子 1.2.2 从多原子到单个原子 实现强耦合腔qed的一个主要困难是原子的控制。人们需要原子在腔内停 留足够长的时间。我们这里主要讨论基于p-f腔的腔qed的情况。得益于镜片 镀膜技术的发展，光学腔的精细度达到几十万成为可能，光频区的腔qed也实 现了强耦合，这意味这腔内原子与腔场交换能量的速度更快。但是如果原子在腔 中停留的时间太短，原子与腔场相互作用的时间相应变短。如果该时间与原子和 腔场交换能量的周期可比拟或甚至小于其周期的时候， 这时我们就无法观察原子 与腔作用的过程，实现原子与腔场的相干演化，所以有人甚至将原子在腔中的寿 命作为强耦合的条件之一32。1992年第一个光频强耦合腔qed实验24是利用热 原子束来完成的。原子束是由一个原子炉加热，热原子由小孔喷出形成的。热原 子束的速度很快，原子在腔中停留的时间仅为几百纳秒，时间如此之短限于探测 手段人们只能得到腔内的平均原子数的信息， 对正在意义上的单个原子的行为就 无能为力了。因此提高原子在腔内的寿命成为人们追求的目标之一。 从 多 原 子 到 单 原 子 的 突 破 是 在 上 个 世 纪 八 十 年 代 冷 原 子 磁 光 阱 （magneto-optical trap） 33,34,35,36,37诞生后实现的。几个主要的腔 qed实验室纷 纷采用俘获在磁光阱中的冷原子团作为原子源。 原子在腔中的寿命达到百微秒量 级。h. j. kimble实验组将冷原子团置于光学腔的上方几毫米处，然后关闭磁光 阱使得冷原子自由下落进入腔模，原子到达腔模时的速度约为0.3m/s。采用差拍 探测的方法实时观测腔透射信号， 从而第一次确定性的得到单个原子穿越腔模时 的信息38。 随后他们又在另一个耦合强度更大的光学腔中观测到失谐条件下的腔 透射信号并得到真空拉比分裂39。随后g. rempe实验组同样利用磁光阱俘获的 冷原子团作为原子源， 但是他们采用的是原子喷泉的方式将原子向上喷射到腔模 的位置实现了单原子与腔模的强耦合40,41。冷原子技术运用到腔qed中极大地 促进了实验的发展，原子的速度从几百米每秒降到零点几米每秒。虽然原子进入 腔模的数量、时间和寿命都是随机的，但是这为更好地在腔中控制原子提供了很 第一章 绪 论 5 好的基础。 光学偶极力阱的引入使得原子在腔中的寿命由百微秒量级延长到毫秒量级， 而且在腔中确定性地俘获了单个原子。h. j. kimble实验组和g. rempe实验组几 乎同时完成了在腔内使用近共振的偶极力阱囚禁单个原子， 寿命达到1ms42,43,44。 其中需要提到的是在原子进入腔模后有一个势阱深度即时增大的过程， 即所谓触 发俘获过程。 这对原子是否可以顺利囚禁在势阱内至关重要。1999年h. j. kimble 实验组利用远失谐的腔内偶极力阱将原子囚禁在腔内寿命达28ms，这远远比近 共振的光学偶极力阱中原子的寿命要大45。 近共振偶极力阱光不仅要囚禁原子而 且也是探测光，这势必加大对原子的散射，造成寿命的缩短，因此近共振的偶极 力阱并没有很大发展。 远失谐的偶极力阱在腔内原子控制方面发挥越来越大的作 用。2003年利用魔数波长（magic wavelength）的光形成的偶极力阱，腔中囚禁 原子46的寿命达到3秒。 与此同时二维方向的偶极力阱在宏观距离上运输原子的 实验也成功完成47,48，被称为原子的光学传送带（optical conveyor belt） 。m. s. chapman实验组将其运用到腔qed原子向腔内转移的实验研究，不仅把原子在 腔内的寿命提高到秒的量级，而且充分发挥了原子传送带的优势，在腔内得到确 定的原子个数49,50。g. rempe实验组随后也完成了类似的工作51。原子传送带 是一种有效的向腔内运送原子的方法，使得原子控制越来越精细，并且这种技术 在控制原子在腔内的位置和反馈控制原子等方面有着很大的潜在优势。 近年来反 馈技术也被应用到延长原子在腔中寿命的实验中。2009年g. rempe实验组在腔 中同时建立的两种光学偶极力阱，一种红移阱一种蓝移阱，使用反馈技术来控制 原子在腔中的轨道52。2010年他们改进了实验系统，提高了探测效率并采用更 快的反馈回路，使单个原子在腔中得到冷却，寿命达到1s53。 把原子在腔中寿命延长到十秒以上需要采取更多的技术，比如腔冷却技术。 2004年g. rempe实验组首次运用一维方向腔冷却 54，明显提高了原子的寿命。 2007年他们推广到三维腔冷却，将原子在腔中的寿命提高到17s55。图1.2给出 了h. j. kimble和g. rempe两个实验组在腔中原子控制方面的发展过程。 人们当然希望原子与腔场耦合强度越来越大、原子在腔中的寿命越来越长， 这是腔qed实验研究的一个非常重要的基础。但是耦合强度和寿命并不是人们 追求的最终目标，在原子停留在腔内的不同时间尺度下，利用强耦合cqed都 能完成一系列工作。强耦合腔qed在量子物理基础研究、精密测量、量子计量、 量子信息应用等方面巨大的应用前景真正体现了该系统的科学价值和在应用方 强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量 6 面的前景。在传统的基于f-p腔的腔qed系统获得迅速发展的同时，其它一些 各具特色的腔qed系统也发展起来。 图 1.2 h. j. kimble 和 g. rempe 两个实验组在腔中原子控制方面的 发展过程 1.2.3 其它腔量子电动力学系统其它腔量子电动力学系统 由于本论文主要的工作集中在基于高反射率镜片搭建的f-p腔的腔qed系 统的研究上，所以前面提到的叙述大多集中在这一方面。鉴于研究光与物质相互 作用的重要性和巨大的应用前景，人们发展了许多同样可以实现强耦合的腔 qed系统，并且进展迅速。当然f-p腔用于腔qed的实验还包括将离子囚禁在 腔内的系统56,57,58，将玻色爱因斯坦凝聚体（bose-einstein condensation，bec） 置入腔内59等实验， 这里不一一獒述。 这里简要介绍几种近几年发展迅速的基于 半导体（semiconductor） 、芯片（chips） 、光子晶体（photonic crystals）和光纤腔 （fiber f-p cavity）等材料发展起来的腔qed系统60，他们各有优势又各有需 要解决的问题。 1. 使用石英（silica）制作的采用回音壁模式（whispering gallery mode, wgm）的微球腔（microspheres）在很久以前就被人们关注。早在1989年人们 就开始研究61。因为光在其内部实现全反射，加之尺度很小通常在几十微米，因 第一章 绪 论 7 此这种微球腔的q值可以做的很高，可达数千万62,63，而且更小的微球尺寸可 以达到更高的耦合强度。1998年在这种系统就实现了强耦合64。 2. 类似于腔qed中使用的高反射率镜片搭建的光学腔，人们利用半导体制 作出尺度更小的f-p腔，称为“micropillar”或“micropost”65，而将量子点 （quantum dots）置入其中同样看到了自发辐射的增强66，甚至达到强耦合67。 最近基于此系统的单光子产生实验也有了很大进展68,69,70,71。到目前为止该系统 报道的q值可达16500072。具体可见综述文章73。 3. 同样采用半导体制作的微型圆盘腔（microdisk）74,75也被应用到腔qed 中76。由于其内部在各个方向上都能反射而支持回音壁模式，其q值达到几万 75，并进入强耦合腔 qed的研究77。将微型圆盘腔与光波导耦合构成的光学谐 振腔也被广泛的研究。其中采用iii-v半导体材料的腔q值在几千到几万，而采 用聚合物（polymer）78 的腔，其q值可增大到105。因其可集成化的优势，微 型圆盘腔qed系统具有很好的应用前景。 4. 一种q值可达108以上的基于半导体工艺的微结构环芯腔（microtoroidal cavity）79,80,81的研究在近十年非常活跃。从第一个microtoroidal cavity诞生后 不久这种微结构腔就达到了强耦合82。 人们利用这种腔实现了光子转门 （photon turnstile）83 实验。光子转门可以在实验上控制特定数量的光子输出，特定数目 的光子态是量子信息的重要资源。最近人们利用原子和microtoroidal cavity之间 的强耦合， 在距离微腔表面很近的表面观测单个原子与光子和微腔表面的同时耦 合并绘制出原子的运行轨道84。由于微结构环芯腔q值高容易发展成多腔系统， 所以不断有新的研究组加入对其的研究行列中。 5. 利用光子晶体 （photonic crystal） 构成的微结构腔以模体积小而著称85,86， 尺度只有半波长的量级，这是其它微结构腔所不能比拟的。但其q值一般不是 会很高，大约几万左右87。利用这种腔同样实现了对自发辐射的控制88,89，最近 又报道人们实现了腔与双量子点90的耦合，其实验研究进展迅速。 6. 近十年以超导体为基础的电路腔量子电动力学（circuit qed）91,92的研 究异军突起，依靠精良的制作工艺不断取得突破，在强耦合腔qed的研究中占 有重要地位。电路qed是使用电路来代替原子，所谓人造“原子” 。人们在2006 年观测到电路qed中真空拉比震荡93，随后在2007年实现了两个人造“原子” 之间态的储存和相干转移94。2008年人们实现了基于单个“原子”的激光95。 最近在超强耦合电路qed实验的实现开启了其新的发展阶段96。 这种电路qed 强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量 8 系统因其可集成化的特点， 在研究多比特和可扩展的量子信息处理过程中具有明 显优势，但其需要低温等复杂的系统，其相干性还有待提高。 综上所述，各个领域里的腔qed 系统的发展27,60 ,97速度之快令人鼓舞。这 些系统各自有各自的优势，各自有各自面临的困难。人们致力于追求更高q值、 更小模体积的微结构腔。 图1. 3列出了几种腔qed系统的q值和模体积的参数。 由图1. 3可以看出腔qed系统q值和模体积这两个非常重要的参数各有不同， 宏观的f-p腔系统也向着基于半导体工艺的更小尺度发展。 利用wgm的腔qed 系统种类最多，包括microdisk、microspheres、microtoroidal cavity，其中后两种 的q值可以达到很高。photonic crystal结构的模体积可以做到很小，而且容易耦 合。circuits qed系统扩展性强，更有大规模集成化的应用前景，越来越引起人 们的关注。总体来讲，各种系统都有自己的优势，拥有着广泛的应用前景。最近 几年几乎所有系统的腔qed的研究都集中在一个重要的目标上那就是量子信息 处理。其中f-p腔系统的研究历史长、技术相对成熟，并且操控灵活、稳定、具 有良好的相干性，在量子信息领域仍然作为一种基本和重要的系统被广泛关注 25,98。f-p 腔系统的应用不仅在量子信息方面，而且在探索物理基本问题和精密 测量、量子计量等方面还有着重要的应用。 图 1.3 各种腔 qed 系统27 1.3 强耦合腔量子电动力学的应用和意义 1.3 强耦合腔量子电动力学的应用和意义 本节主要介绍了f-p腔构成的腔qed系统在各个方面的应用和意义4。主 要包括其在物理学中量子基本问题、 量子信息、 精密测量及量子计量方面的应用。 第一章 绪 论 9 1.3.1 基本物理问题 1.3.1 基本物理问题 强耦合腔qed系统提供了一个演示各种量子效应的理想平台，下面我们介 绍几种典型的效应。 1. 真空拉比分裂（vacuum-rabi splitting） 。前面提到单个原子和单模光场的 耦合是腔qed中最基本的过程。 一些基本的量子现象就可在f-p腔系统上实现。 由最基本的j-c模型可以得到，当一个原子进入腔模会导致模式分裂，及腔和原 子构成的整体系统的激发态分裂成两个模式，被称为vacuum-rabi splitting。实 验上观察到腔的共振频率分裂最早是在1992年h. j. kimble实验组利用热原子束 穿越腔模看到的24。 但是这个实验只能观测腔内平均原子数的变化情况。 而观测 到真正意义上的单个原子在腔内的真空拉比分裂是在腔内单原子俘获技术发展 后才看到的99,100。 2. 光子的量子非破坏性测量 （quantum non-demolition measurement, qnd） 。 对光子的测量传统上是利用光探测器， 但是这样的探测结束后光子也随之消逝转 化为电能或者其它形式。1999年s. haroche实验组利用原子与腔场的强耦合成 功的实现了对腔内光子是否存在进行了非破坏性测量101。因为处于强耦合状态 的单个原子和单个光子相互影响，所以对原子态的测量即可确认光子的存在与 否，而不用破坏光子状态，从而完成了对单个光子的非破坏性测量。 3. 非线性光谱（nonlinear spectroscopy） 。典型的非线性光谱的实现一般需 要宏观的非线性介质和强的光束。 而使用宏观的物质来探测量子的非线性现象是 不可行的。强耦合腔qed系统提供了一个很好的研究平台，当单个原子处于腔 模中透射光强和入射光强存在非线性的关系102，从而为我们在单粒子水平上实 现非线性作用提供了可能。 4. 非经典关联 （nonclassical correlations） 。 腔cqed系统提供了获得非经典 光子辐射的一种途径。1991年h. j. kimble实验组就观测到腔内平均原子为几十 时腔透射光场呈现反聚束特性的非经典关联21。 随后在很多实验中都验证了这一 现象103,104。2005年g. rempe实验组观测到了腔透射场由反聚束到聚束的演化 105。 5. 单原子的电磁感应透明现象（electromagnetically induced transparency, eit） 。eit是量子干涉效应中非常重要的一个物理现象，由于其在慢光、量子信 息存储等方面的潜在应用， 一直是人们研究的热点106。2010年g. rempe实验组 强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量 10 实现了腔中单个原子的eit107，该系统可望进一步发展对光场统计性质的相干 操控和fock态及其叠加态的产生的方法。同年人们也完成了在自由空间中单原 子eit现象的研究108。 总之，对未知世界的探索是无止境的，强耦合腔qed作为一个典型的量子 系统已经成为研究量子物理基本问题的有力工具。 1.3.2 量子信息 1.3.2 量子信息 1. 量子纠缠 （quantum entanglement） 。 量子纠缠早在上世纪九十年代在微波 区就已实现，包括光场与原子、原子与原子、光场与光场和两原子与光场三组分 等的纠缠。而在光频区腔qed系统g. rempe实验组在2007年实现了原子与光 子的纠缠109，而在2009年他们又实现了光子之间的纠缠110，为量子计算、量 子信息方面的研究打下基础。 2. 单光子源（single photon sources） 。单光子源在量子信息处理的过程起着 至关重要的作用，在利用光子实现量子计算方面具有极其重要的意义111。虽然 很多系统都在单光子源产生上有了很好的进展， 但是量子信息要求单光子源出射 的光子具有很好的相干性，而且要有很高的效率112。以cqed为基础产生的单 光子源完全符合这个要求。而且腔的存在使得光子出射具有很好的方向性，便于 提高效率。2002年g. rempe实验组和h. j. kimble实验组均实现了基于强耦合 腔qed的单光子源112,113,114。 3. 量子网络（quantum internet） 。量子网络在量子信息中有着十分重要的地 位。要实现量子信息的传送就需要可以储存信息的节点，而能级之间的相干叠加 使单个原子成为存储量子信息节点的选择。 原子发出的光子又是信息传递非常有 效的载体25。因为腔qed系统达到强耦合之后可以实现量子态在原子和光子之 间的可逆映射 （reversible mapping） ， 所以腔qed很可能在将来的量子网络中发 挥重要的作用115。 1.3.3 精密测量，量子计量 1.3.3 精密测量，量子计量 1. 单原子探测和原子运动轨道（atom trajectory）的追踪: 在原子物理的研 究中对单个原子的