前沿進(jìn)展光學(xué)腔量子電動力學(xué)的實驗進(jìn)展張?zhí)觳磐踯娒衽韴臆?量子光學(xué)與光量子器件國家重點實驗室山西大學(xué)光電研究所太原030006)摘要研究受限在微腔中的光場與原子的相互作用可以幫助我們深刻認(rèn)識原子與光子作用的動力學(xué)過程腔量子電動力學(xué)是研究光子與原子相互作用的一種有力工具.強(qiáng)作用腔量子電動力學(xué)的研究為量子信息提供了一種實現(xiàn)量子邏輯運算的途徑.文章簡要介紹該硏究領(lǐng)域的背景、現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài).關(guān)鍵詞腔量子電動力學(xué),單原子單光子Experimental progress of cavity quantumelectrodynamics in the optical domainZHANG Tian-Caif WANG Jun-Min PENG Kun-ChiState Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Opto-Electronics, Shanxi University, Taiyuan 030006, ChinaAbstract A cavity quantum electrodynamics( QED system is one of very few physically realizable systemswhich can help us to understand quantum effects and reveal the interaction dynamics of atoms and optical fieldsThe strongly coupled atom-photon interaction can provide a realization of a quantum logic gate for quantum information processing. We introduce the basic ideas of cavity QED, its recent progress and future prospectsKey words cavity QED, single atoms single photons原現(xiàn)象41.隨后一系列光與原子作用的現(xiàn)象相繼被引言發(fā)現(xiàn)如原子輻射的反聚束(anti- bunching)和亞泊松(sub- Poissonian)統(tǒng)計56單原子的真空拉比分1916年愛因斯坦提出了自發(fā)輻射的重要概裂 Rabi splitting)1,J-C模型中的非線性81等念然而并不知道產(chǎn)生自發(fā)輻射的原因原子的自發(fā)一門被稱為腔量子電動力學(xué)”的學(xué)科逐步建立并輻射在很長時間里被認(rèn)為是原子的一種固有特性,發(fā)展起來是不能改變的.隨著量子電動力學(xué)(QED)的發(fā)展人們通過各種可能的途徑荻得高品質(zhì)腔這是人們對真空認(rèn)識的加深自發(fā)輻射不再被看作是實現(xiàn)腔QED的關(guān)鍵隨著技術(shù)的進(jìn)步利用高品質(zhì)個孤立原子的行為,而是真空對原子作用的結(jié)果.石英微球中的所謂回音壁模式( whispering gallery1946年P(guān)ure首次發(fā)現(xiàn)如果把原子置于腔內(nèi), mode wgm)可以獲得極低的損耗和很小的腔模體在一定條件下原子的自發(fā)輻射率較之處于自由空積從而大大提高微球腔的品質(zhì)-13,并獲得極低間中的自發(fā)輻射會發(fā)生變化.1960年, Drexhage首次觀察到由腔引起的自發(fā)輻射的改變2. Jaynes和中國煤化工目家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號Cummings于1963年建立了光與原子相互作用的CNMHG項目汕西省留學(xué)基金和青年孔準(zhǔn)號200100)價助項目Jaynes- Cummings模型JC模型y3],預(yù)言了若干原2002-11-15收到初稿2003-04-02修回子與單模光場作用的一些現(xiàn)象如原子的崩塌和復(fù)通訊聯(lián)系人E-mailichang@sxu.edu.cn32卷(20方款瓣期前沿進(jìn)展閾值的微球激光在法國ENS的 Haroche小組的超喻擋當(dāng)微型天線″處于微腔中時,它的行為就如同導(dǎo)微波實驗腔中品質(zhì)因數(shù)更是高達(dá)101.但小開車穿過隧道時收聽無線電廣播一樣.無線電波與球腔和微波超導(dǎo)腔都有其自身的不足.采用半導(dǎo)體隧道壁反射的波發(fā)生破壞性干涉而不能存在于隧道量子點獲得高品質(zhì)微腔最近幾年也得到了快速發(fā)中從而使收聽失敗.原子中的微型天線比收音展利用光子晶體中的帶隙結(jié)構(gòu)可以把腔的尺度機(jī)中的天線小得多,它的共振頻率也高得多,達(dá)到做到納米量級實現(xiàn)所謂的納米腔”16.光頻段腔104Hz相應(yīng)的波長在1pm左右因此如果有可能￠FD的研究對認(rèn)識原子與光子的作用至關(guān)重要20把處于激發(fā)態(tài)的原子放到微米量級的微型隧道”世紀(jì)90年代冷原子技術(shù)和光電測試技術(shù)的發(fā)展,中原子可能輻射的光子在微型隧道”中沒法存高品質(zhì)微腔和原子冷卻與俘荻的結(jié)合使單原子和單在原子因此輻射不出光子而長久停留在激發(fā)態(tài)上光子作用的J-C模型可以得到很好的實驗檢該微型夭線″的輻射和吸收特性將會隨著微型隧驗1.原子和光子之間的耦合在1992年以后進(jìn)入道"的不同而改變所謂強(qiáng)相互作用由原子、光場和幾乎無損耗的腔組圖1是置于光學(xué)腔內(nèi)的原子與光場發(fā)生相互作成的系統(tǒng)形成了一個糾纏系統(tǒng)———個介觀量子裝用的示意圖原子與腔內(nèi)光場交換光子實現(xiàn)相互作置這種裝置是目前為數(shù)不多的能夠在實驗室環(huán)境用.描寫該過程有下面幾個主要參數(shù)(1)腔模的有下觀察單粒子量子行為的系統(tǒng)該裝置不僅作為探效體積Vn(2)腔內(nèi)光場的強(qiáng)度r)(3)原子的索量子物理世界若干非經(jīng)典行為的重要工具例如衰減率( decay rate),又叫消相干率( decohering薛定諤貓態(tài)( Schrodinger cat state)、量子測量rate)(4)腔場的衰減率或消相干率k(5)描寫原( quantum measurement)等等而且在量子計算子與場作用強(qiáng)弱的耦合系數(shù)g( quantum computation)2021、量子態(tài)的制備(quntum state preparation)23以及量子通信( quantucommunication)y24231等領(lǐng)域具有重要價值入射場本文將著重介紹光學(xué)腔量子電動力學(xué)的基本原g腔場理在此基礎(chǔ)上介紹國際上目前的實驗狀況以及山西大學(xué)光電研究所用于開展這方面研究的實驗系統(tǒng)最后分析腔QED研究的困難并對未來進(jìn)行展圖1光場與原子在光學(xué)腔中的作用有效模體積取決于微腔的幾何參數(shù).在由兩個2基本原理球面鏡組成的腔中其有效腔模體積與基模腰斑半徑和微腔之間的距離有關(guān).在高品質(zhì)腔(高Q腔)當(dāng)電磁場受限在一個微小腔中時可能存在于中由于膜層很多,該有效模體積還與膜層結(jié)構(gòu)有腔中的電磁場模式會受到腔的邊界制約有些模式關(guān).在微球腔中則由微球大小決定受到抑制而另一些模式會得到增強(qiáng).微腔對電磁場腔內(nèi)電場振幅E與光子頻率和腔模體積有關(guān)模式的改變對真空—一種充滿了微小的電磁量子對于一個頻率為a的光子受限在Vn的體積內(nèi)其起伏的空間—同樣適用正像巨大天體改變了其電場振幅為周圍的空間結(jié)構(gòu)一樣微小的腔體改變了處于其中的真空的特性.微腔形成了在充滿電磁漲落的真空大海中一個人造的港灣原子處于這種受控的真空其中是真空中的介電常數(shù)(1)式代表了頻率為狀態(tài)中其自發(fā)輻射可以有效地增強(qiáng)或抑制.的單個光子的電場,它與該光子所分布的空間大我們可以形象地說明這種抑制過程事實上原小的平方根成反比體積越小電場越強(qiáng)例如單個子中的外層電子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)原子便發(fā)波長為853m的光子(能量為1.45cV)受限在射一個光子處于受激態(tài)原子的最外層電子相當(dāng)于5中國煤化工其電場大小達(dá)到約N微型天線”,它以很高的頻率振蕩從經(jīng)典看510VCNMHG來電子是在繞核旋轉(zhuǎn))并輻射電磁波.法國高等師原子的衰減率包括縱向衰減γ和橫向原子衰范學(xué)校(ENS)的 Laroche1教授曾經(jīng)做過一個比減y1·前者表示處于激發(fā)態(tài)的原子躍遷并輻射752·物理前沿進(jìn)展個光子的幾率,它由愛因斯坦自發(fā)輻射系數(shù)A決積但該模體積會受到限制因為腰斑太小會減小熱定∥=A.后者對純輻射躍遷1=γ2.而對均原子與光場作用的時間原子穿越光場的時間)溻另勻展寬介質(zhì)>y2.原子的衰減率描寫了處于方面腔長也不能太短腔長的選擇依賴于腔的精激發(fā)態(tài)的原子在自由空間中固有的壽命細(xì)度F只有在F很高時腔長才能縮短.因此必須腔場旳衰減率表征光子在腔內(nèi)因各種耗散而最設(shè)法提高腔的品質(zhì)因數(shù)(精細(xì)度)終消失的快慢也即光子在腔內(nèi)的壽命.腔的損耗包在過去20年中人們一直在致力于提高原子與括腔鏡的透射以及腔內(nèi)包括腔鏡)的吸收和散射光場之間的相互作用并取得了實質(zhì)性的進(jìn)展.圖2等損耗.高品質(zhì)腔的總損耗應(yīng)該遠(yuǎn)小于1.在實驗上顯示了以 Kimble小組為代表的實驗室在近20年來可以通過測定腔的精細(xì)常數(shù)F決定.而腔場的衰減的實驗中其特征參數(shù)mN。以及腔的精細(xì)度F的率為:K=cm(2F).其中c為真空中的光速為進(jìn)展由此可以窺見該領(lǐng)域的發(fā)展.圖中的三角腔長形的位置為山西大學(xué)腔QED小組正在進(jìn)行的腔為獲得低的腔損耗對駐波腔必須采用極高反QED實驗系統(tǒng)所對應(yīng)的參數(shù).在最近的實驗中3),射率的腔鏡,即所謂的超鏡"( super-mirror),它是10在經(jīng)過特殊磨制的基片上鍍上數(shù)十層膜構(gòu)成的反射率可以高達(dá)0.99995以上.在小球腔中利用光的全內(nèi)反射而在微波腔中則采用低溫超導(dǎo)腔等.腔場與原子的耦合強(qiáng)弱由耦合系數(shù)φ。表示.耦合系數(shù)表征了原子與腔場交換能量的快慢單模場與二能級原子作用過程已經(jīng)被大量地討論過了并預(yù)示著存在豐富的物理現(xiàn)象.當(dāng)原子與光場交換能量時光子被原子吸收透過腔的出射光場與空腔的情況不同.因此我們可以通過觀察微19801985199019952000年份弱的從腔透射的光場的變化來了解腔內(nèi)原子與光子作用的情況228.光與原子的耦合越強(qiáng)原子與光場交換能量越快.為了方便描寫原子與光子的作用人們定義了兩個特征參數(shù)臨界光子數(shù)m和臨界原子數(shù)N[[定義為mn=2yy(382),N=2ky(g02)]當(dāng)(mAN)<1時意味著光場與原子的作用進(jìn)入強(qiáng)耦合.此時單個光子和單個原子都會對對方產(chǎn)生巨大影響或者說用單個光子(原子)就可以完全改1980198519902000變原子光子)的狀態(tài)因此,對原子和光子的操控就可以在單量子的水平上進(jìn)行1073實驗進(jìn)展盡管J-C模型早就提出來了但要在實驗上真104正實現(xiàn)單個二能級原子與單模場的有效作用并不是件簡單的事.一般的量子光學(xué)實驗都是在弱作用范圍實現(xiàn)的.例如通常的激光運轉(zhuǎn)在閾值附近時,19962000mo~10°-103原子數(shù)N≥1.要實現(xiàn)強(qiáng)耦合必須中國煤化工在幾個方面作出改進(jìn):首先是采用的原子盡可能具CNMHG子數(shù)、臨界光子數(shù)和腔有長的激發(fā)態(tài)壽命如在堿金屬元素中銫原子具有的精細(xì)度的變化(其中三角形所在位置是目前山西大學(xué)光電研究所腔QED研究組進(jìn)行的實驗所對應(yīng)的參數(shù))較長壽命,A-=32ns淇次是盡可能減小腔的模體32卷(20方款瓣期753前沿進(jìn)展Kimble小組把參數(shù)mNF)推進(jìn)到7.5×10°,組利用腔QED方法成功地產(chǎn)生了確定性的單光子6.7×10-3.14×10°)預(yù)料在現(xiàn)有實驗條件下最源3,盡管尚有許多問題還在爭論并有待解決好的結(jié)果可以達(dá)到5.3×10-61.9×10-47.85×但腔QED中原子與光場的強(qiáng)耦合作用已經(jīng)達(dá)到了l0°)這意味著在這種情況下一個原子吸收腔內(nèi)的前所未有的程度.事實上在這種情況下原子、光子一個光子隨后輻射出該光子隨后再吸收它灬和微腔三者已經(jīng)構(gòu)成一個糾纏的系統(tǒng). Raimond形如此往復(fù),秒中之內(nèi)發(fā)生約8億次.而在自由空象地稱這樣的系統(tǒng)為腔QED糾纏機(jī)器"( the cavity間我們知道原子躍遷以后輻射出的光子不會再 OEd entangling machine).這種機(jī)器”為人們提被原子吸收供了檢驗量子物理基本問題的有效工具如EPR態(tài)早期的實驗主要采用微波腔以獲得高Q值.( Einstein-Podolsky- Rosen pairs)的實驗檢驗、量子測Meschede∞], Rempe45], Haroche3}]等研究小組量問題、量子非破壞測量、量子態(tài)的制備、量子邏輯相繼在微波段實現(xiàn)了強(qiáng)耦合他們采用的是里德伯門等原子穿過共振或近共振的腔在光頻波段較早的實山西大學(xué)光電研究所正在著手開展這方面的研驗是用鈉原子束穿過精細(xì)度為400左右的腔,研究究如圖3所示我們采用的是銫原子雙磁光阱結(jié)人員觀察到了頻率分裂現(xiàn)象但該現(xiàn)象是若干原子構(gòu)在一級磁光阱中的原子通過偏振梯度冷卻達(dá)到的集體效應(yīng)3.1989年 Raizen3等把腔的精細(xì)度微開量級然后輸運到二級真空室中并再次被冷卻提高到26000此時〔mAN)=(32A0)1992年,和俘獲進(jìn)入微腔系統(tǒng)由于二級真空室的真空度較Thompson'71等采用1mm長的腔,精細(xì)度達(dá)到級汽室低一個量級而且銫原子本身的數(shù)量也大8000(mN)=(0.80.43)這是首次進(jìn)入光場大減少從而有效地降低了二級真空室中背景原子與原子作用的強(qiáng)耦合,至此真正實現(xiàn)了單原子與單的碰撞微腔的反射率高達(dá)0.9999.精細(xì)度可達(dá)光子的強(qiáng)耦合35000右在腔長為10μm時,該腔QED系統(tǒng)所隨著20世紀(jì)90年代冷原子技術(shù)的發(fā)展對原對應(yīng)的臨界光子數(shù)和臨界原子數(shù)均遠(yuǎn)小于1.通過子的操縱能力越來越強(qiáng)與快速運動的熱原子束相三束相互垂直的光學(xué)偶極俘獲光相互重疊可以在比冷原子有許多優(yōu)點宅可以幫助我們以很高的精微腔中產(chǎn)生尺度在微米量級深度為數(shù)毫開左右的度實時觀察及操控原子利用原子的光學(xué)偶極俘獲光學(xué)勢阱從而在微腔中實現(xiàn)對單個原子的俘獲( optical dipole trappin)對少數(shù)甚至單個粒子的控制3可以大大減小由于多原子效應(yīng)帶來的損耗磁光阱1原子冷卻與俘獲技術(shù)與腔QED結(jié)合使研究光與原子特別是單光子與單原子的作用成為現(xiàn)實磁光肼21999年 Laroche35小組在超導(dǎo)腔中首次實現(xiàn)雙磁光陰了對單光子的量子非破壞測量( quantum non-demoouD系統(tǒng)lition measurement).對單個光子實現(xiàn)了看到了它但并未破壞它”. Kimble小組采用腔長只有10um的高精細(xì)度光學(xué)腔將臨界光子數(shù)和臨界原子數(shù)提高致m0N)=(0.000230.015)從而實現(xiàn)了對單個銫原子的實時測量27.2000年在冷原子基礎(chǔ)上采用光學(xué)偶極力 optical dipole-force),成功地把單10-1個銫原子囚禁在厚度為1μm、直徑為10μm左右的〃盤子"中,并能觀察原子在盤子”中的運動軌圖3采用雙磁光阱MOT)系統(tǒng)結(jié)合光學(xué)偶極作用,可以實現(xiàn)道"[231.最近該小組還報道了把單原子與單光子的微腔中單原子的俘獲并進(jìn)而實現(xiàn)單原子與單光子的強(qiáng)耦合作用(圖中下面部分顯示采用相互正交的三束偶極俘獲光,可形成作用時間提高到秒的量級的結(jié)果3這為進(jìn)一步控微中國煤化工制原子帶來了很大方便摑際上其他若干腔QED研究小組也取得了很大進(jìn)展.日本的東京大學(xué)與美國CNMHG一步研究單原子與光國家標(biāo)準(zhǔn)研究所NT)合作不久前利用腔內(nèi)原子子作用的量子行為以及基于腔QED技術(shù)的量子信實現(xiàn)了對光脈沖的控制)在德國最近 Rempe小息具有決定性的意義未來展開的研究包括基于單754·物理前沿進(jìn)展光子在光學(xué)諧振腔中與單原子作用的量子邏輯門;正在傳統(tǒng)F-P光學(xué)腔的基礎(chǔ)上向納米腔發(fā)展這在光學(xué)格子( optical lattice)上的多粒子俘獲及其糾種基于光子晶體的納米結(jié)構(gòu)目前可以做到數(shù)千的Q纏的研究次于不同光子數(shù)統(tǒng)計的光場中受控原子值但其納米級的尺度仍然可以使光與原子的作用輻射特性的研究以及原子的量子遠(yuǎn)程傳送( quantum達(dá)到強(qiáng)耦合teleportation)y41等等5結(jié)束語4未來展望作為為數(shù)不多的能夠在實驗室環(huán)境下觀察微觀腔QED在近幾年取得了巨大發(fā)展.這其中得益客體奇異量子行為的系統(tǒng)腔QED是人們研究量子于原子冷卻與俘獲技術(shù)的突破性進(jìn)展.隨著技術(shù)的系統(tǒng)的動力學(xué)過程的重要手段.處于腔外的觀察者進(jìn)步人們將在控制單量子系統(tǒng)以及他們之間的相企圖通過各種測量了解腔內(nèi)發(fā)生的真實過程但互作用方面繼續(xù)向前邁進(jìn).腔的損耗以及殘余的熱系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)取決于外部測量的過程.光頻區(qū)原光場對系統(tǒng)的相干性不可避免地帶來破壞.另一個子與光子強(qiáng)耦合作用的實現(xiàn)為量子光學(xué)實驗開辟了問題是原子的控制以銫原子為例即便是采用各種一個廣闊的天地,一系列豐富多彩的現(xiàn)象正在被人技術(shù)將原子冷卻到20μK(亞多普勒冷卻)原子仍們揭示出來如三粒子糾纏態(tài)( GHZ entangled trip以約4cm/s的速度運動如果沒有特別的控制措施,let)的產(chǎn)生糾纏原子的EPR態(tài) Quantum teleport它穿越10μm大小的空間只需要0.25ms.人們設(shè)計 tion with atoms多光子的量子非破壞測量非經(jīng)典態(tài)出各種各樣的原子俘獲辦法然而對單粒子的長時的 Wigner函數(shù)的測量量子邏輯門的產(chǎn)生量子運間精確控制仍然是一大挑戰(zhàn)算與量子糾錯等等.人們在努力實現(xiàn)越來越大的宏種被稱為量子伺服 quantum servos)的方法觀客體之間的量子糾纏以期一瞥量子與經(jīng)典之間已經(jīng)被提出目前,包括加州理工學(xué)院 Mabuchi小組的界限等正在進(jìn)行這方面的工作4.其基本思想是利用原子在腔內(nèi)運動時不同的位置有不同的耦合強(qiáng)度從參考文獻(xiàn)而引起出射場的變化利用這種變化可以反過來控1 urcel F M. Phvs,e1946,69制偶極俘獲光場的分布從而控制原子的位置.與此2 Drexhage K H. In Progress in Optics( ed. by Wolf E). NewYork: North-Holland, 1974同時人們也提出了在腔QED系統(tǒng)中克服原子位置3] Jaynes E T, Cummings F w. Proc. IEE,1963,5889的不確定性帶來的量子信息處理方面的困難的辦4] Rempe G, Klein N, Walther H. Phys. Rev. Lett., 1987, 58法5 J Rempe G, Schmidt-Kaler F, Walther H. Phys. Rev. Lett腔QED將在以下幾個方向繼續(xù)向前發(fā)展(1)量子態(tài)的產(chǎn)生在較早的實驗中人們已經(jīng)利用原子[6tompson R J, Kimble H J. Phys. Rev. Lett.束與腔場的作用產(chǎn)生壓縮態(tài)和光子反聚束狀態(tài)腔[7] Thompson R j, Rempe g, Kimble H J,Phys.Rev.LetQFD技術(shù)被證明是產(chǎn)生Fck態(tài)(如單光子態(tài))992,68132Schrodinger貓態(tài)等量子態(tài)光場的重要手段(2)光 8] Brune M, Schmidtkaler I, Dreyer J et al.Phys.ew.Let,學(xué)非線性趼究少數(shù)幾個粒子甚至單原子的非線性[9] Braginsky V B, Ilchenko v s,so.,Phys.Dokl.,1987,3效應(yīng)是十分有趣的單光子與單原子在強(qiáng)耦合時會表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性并可以實現(xiàn)光學(xué)開關(guān)等(3)10 Braginsky v b, gorodetsky et al, Phys. Lett.A.,1989,137糾纏態(tài)的消相卂( decoherence)腔控QED是幫助我們[1 1 Collot L, Lefevre-Sequin V, Brune m et al. Europhys.et理解消相干機(jī)制的重要手段.微腔糾纏系統(tǒng)事實上12 Gorodetsky M L et aL. Opt. Lett., 1996 21 153是一個介觀( mesoscopIc)量子疊加系統(tǒng),它在進(jìn)[13]金樂天,王克逸,周紹祥,物理,2002,31:642[ Jin L T,步過度到宏觀世界時其相干性會很快消失.(4)研Wang K Y, Zhou SX. Wuli( Physics ), 2002, 31 642(究原子輻射的基本過程特別是利用量子點實現(xiàn)的hinese )腔QED系統(tǒng)可以獲得亞自然線寬輻射和單原子激[15光等(5)作為獲得量子邏輯門量子存儲、讀取以H中國煤化工oay,199,124Semiconductor cavityCNMH Gcs in Modern ph及量子信息傳輸?shù)闹匾侄?1169. Berlin: Springer-Verlag 2000[16] Ed. Berman PR. Cavity Quantum Electrodynamics. San Die-值得一提的是隨著技術(shù)的發(fā)展腔QED方法.Academic press 199432卷(20方款瓣期755前沿進(jìn)展17 Vuckovic J, Loncar M, Mabuchi H et al. Phys. Rev. E, 200231] Bemardot F, Nussenveig P, Brune M et al. Europhys. Lett55016608[ 18] Schrodinger E. Die Gegenwartige Situation in der Quante[32] Orozco L A, Raizen M G, Xiao M et aL. JOSA, 1987, B7mechanik Naturwissenschaften, 1935 23 807[19] Thorne K S et al. Quantum Measurement. Cambridge Universi33] Raizen M G, Thompson R J, Kimble H J et aL. Phys. 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