光学腔量子电动力学的实验进展

前沿进展光学腔量子电动力学的实验进展张天才王军民彭堃墀(量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学光电研究所太原030006)摘要研究受限在微腔中的光场与原子的相互作用可以帮助我们深刻认识原子与光子作用的动力学过程腔量子电动力学是研究光子与原子相互作用的一种有力工具.强作用腔量子电动力学的研究为量子信息提供了一种实现量子逻辑运算的途径.文章简要介绍该硏究领域的背景、现状及发展动态.关键词腔量子电动力学,单原子单光子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原现象41.随后一系列光与原子作用的现象相继被引言发现如原子辐射的反聚束(anti- bunching)和亚泊松(sub- Poissonian)统计56单原子的真空拉比分1916年爱因斯坦提出了自发辐射的重要概裂 Rabi splitting)1,J-C模型中的非线性81等念然而并不知道产生自发辐射的原因原子的自发一门被称为腔量子电动力学”的学科逐步建立并辐射在很长时间里被认为是原子的一种固有特性,发展起来是不能改变的.随着量子电动力学(QED)的发展人们通过各种可能的途径荻得高品质腔这是人们对真空认识的加深自发辐射不再被看作是实现腔QED的关键随着技术的进步利用高品质个孤立原子的行为,而是真空对原子作用的结果.石英微球中的所谓回音壁模式( whispering gallery1946年Pure首次发现如果把原子置于腔内, mode wgm)可以获得极低的损耗和很小的腔模体在一定条件下原子的自发辐射率较之处于自由空积从而大大提高微球腔的品质-13,并获得极低间中的自发辐射会发生变化.1960年, Drexhage首次观察到由腔引起的自发辐射的改变2. Jaynes和中国煤化工目家自然科学基金(批准号Cummings于1963年建立了光与原子相互作用的CNMHG项目汕西省留学基金和青年孔准号200100)价助项目Jaynes- Cummings模型JC模型y3],预言了若干原2002-11-15收到初稿2003-04-02修回子与单模光场作用的一些现象如原子的崩塌和复通讯联系人E-mailichang@sxu.edu.cn32卷(20方款瓣期前沿进展阈值的微球激光在法国ENS的 Haroche小组的超喻挡当微型天线″处于微腔中时,它的行为就如同导微波实验腔中品质因数更是高达101.但小开车穿过隧道时收听无线电广播一样.无线电波与球腔和微波超导腔都有其自身的不足.采用半导体隧道壁反射的波发生破坏性干涉而不能存在于隧道量子点获得高品质微腔最近几年也得到了快速发中从而使收听失败.原子中的微型天线比收音展利用光子晶体中的带隙结构可以把腔的尺度机中的天线小得多,它的共振频率也高得多,达到做到纳米量级实现所谓的纳米腔”16.光频段腔104Hz相应的波长在1pm左右因此如果有可能￠FD的研究对认识原子与光子的作用至关重要20把处于激发态的原子放到微米量级的微型隧道”世纪90年代冷原子技术和光电测试技术的发展,中原子可能辐射的光子在微型隧道”中没法存高品质微腔和原子冷却与俘荻的结合使单原子和单在原子因此辐射不出光子而长久停留在激发态上光子作用的J-C模型可以得到很好的实验检该微型夭线″的辐射和吸收特性将会随着微型隧验1.原子和光子之间的耦合在1992年以后进入道"的不同而改变所谓强相互作用由原子、光场和几乎无损耗的腔组图1是置于光学腔内的原子与光场发生相互作成的系统形成了一个纠缠系统———个介观量子装用的示意图原子与腔内光场交换光子实现相互作置这种裝置是目前为数不多的能够在实验室环境用.描写该过程有下面几个主要参数(1)腔模的有下观察单粒子量子行为的系统该装置不仅作为探效体积Vn(2)腔内光场的强度r)(3)原子的索量子物理世界若干非经典行为的重要工具例如衰减率( decay rate),又叫消相干率( decohering薛定谔猫态( Schrodinger cat state)、量子测量rate)(4)腔场的衰减率或消相干率k(5)描写原( quantum measurement)等等而且在量子计算子与场作用强弱的耦合系数g( quantum computation)2021、量子态的制备(quntum state preparation)23以及量子通信( quantucommunication)y24231等领域具有重要价值入射场本文将着重介绍光学腔量子电动力学的基本原g腔场理在此基础上介绍国际上目前的实验状况以及山西大学光电研究所用于开展这方面研究的实验系统最后分析腔QED研究的困难并对未来进行展图1光场与原子在光学腔中的作用有效模体积取决于微腔的几何参数.在由两个2基本原理球面镜组成的腔中其有效腔模体积与基模腰斑半径和微腔之间的距离有关.在高品质腔(高Q腔)当电磁场受限在一个微小腔中时可能存在于中由于膜层很多,该有效模体积还与膜层结构有腔中的电磁场模式会受到腔的边界制约有些模式关.在微球腔中则由微球大小决定受到抑制而另一些模式会得到增强.微腔对电磁场腔内电场振幅E与光子频率和腔模体积有关模式的改变对真空—一种充满了微小的电磁量子对于一个频率为a的光子受限在Vn的体积内其起伏的空间—同样适用正像巨大天体改变了其电场振幅为周围的空间结构一样微小的腔体改变了处于其中的真空的特性.微腔形成了在充满电磁涨落的真空大海中一个人造的港湾原子处于这种受控的真空其中是真空中的介电常数(1)式代表了频率为状态中其自发辐射可以有效地增强或抑制.的单个光子的电场,它与该光子所分布的空间大我们可以形象地说明这种抑制过程事实上原小的平方根成反比体积越小电场越强例如单个子中的外层电子从高能态跃迁到低能态原子便发波长为853m的光子(能量为1.45cV)受限在射一个光子处于受激态原子的最外层电子相当于5中国煤化工其电场大小达到约N微型天线”,它以很高的频率振荡从经典看510VCNMHG来电子是在绕核旋转)并辐射电磁波.法国高等师原子的衰减率包括纵向衰减γ和横向原子衰范学校(ENS)的 Laroche1教授曾经做过一个比减y1·前者表示处于激发态的原子跃迁并辐射752·物理前沿进展个光子的几率,它由爱因斯坦自发辐射系数A决积但该模体积会受到限制因为腰斑太小会减小热定∥=A.后者对纯辐射跃迁1=γ2.而对均原子与光场作用的时间原子穿越光场的时间)溻另匀展宽介质>y2.原子的衰减率描写了处于方面腔长也不能太短腔长的选择依赖于腔的精激发态的原子在自由空间中固有的寿命细度F只有在F很高时腔长才能缩短.因此必须腔场旳衰减率表征光子在腔内因各种耗散而最设法提高腔的品质因数(精细度)终消失的快慢也即光子在腔內的寿命.腔的损耗包在过去20年中人们一直在致力于提高原子与括腔镜的透射以及腔内包括腔镜)的吸收和散射光场之间的相互作用并取得了实质性的进展.图2等损耗.高品质腔的总损耗应该远小于1.在实验上显示了以 Kimble小组为代表的实验室在近20年来可以通过测定腔的精细常数F决定.而腔场的衰减的实验中其特征参数mN。以及腔的精细度F的率为:K=cm(2F).其中c为真空中的光速为进展由此可以窥见该领域的发展.图中的三角腔长形的位置为山西大学腔QED小组正在进行的腔为获得低的腔损耗对驻波腔必须采用极高反QED实验系统所对应的参数.在最近的实验中3),射率的腔镜,即所谓的超镜"( super-mirror),它是10在经过特殊磨制的基片上镀上数十层膜构成的反射率可以高达0.99995以上.在小球腔中利用光的全内反射而在微波腔中则采用低温超导腔等.腔场与原子的耦合强弱由耦合系数φ。表示.耦合系数表征了原子与腔场交换能量的快慢单模场与二能级原子作用过程已经被大量地讨论过了并预示着存在丰富的物理现象.当原子与光场交换能量时光子被原子吸收透过腔的出射光场与空腔的情况不同.因此我们可以通过观察微19801985199019952000年份弱的从腔透射的光场的变化来了解腔内原子与光子作用的情况228.光与原子的耦合越强原子与光场交换能量越快.为了方便描写原子与光子的作用人们定义了两个特征参数临界光子数m和临界原子数N[[定义为mn=2yy(382),N=2ky(g02)]当(mAN)<1时意味着光场与原子的作用进入强耦合.此时单个光子和单个原子都会对对方产生巨大影响或者说用单个光子(原子)就可以完全改1980198519902000变原子光子)的状态因此,对原子和光子的操控就可以在单量子的水平上进行1073实验进展尽管J-C模型早就提出来了但要在实验上真104正实现单个二能级原子与单模场的有效作用并不是件简单的事.一般的量子光学实验都是在弱作用范围实现的.例如通常的激光运转在阈值附近时,19962000mo~10°-103原子数N≥1.要实现强耦合必须中国煤化工在几个方面作出改进:首先是采用的原子尽可能具CNMHG子数、临界光子数和腔有长的激发态寿命如在碱金属元素中铯原子具有的精细度的变化(其中三角形所在位置是目前山西大学光电研究所腔QED研究组进行的实验所对应的参数)较长寿命,A-=32ns淇次是尽可能减小腔的模体32卷(20方款瓣期753前沿进展Kimble小组把参数mNF)推进到7.5×10°,组利用腔QED方法成功地产生了确定性的单光子6.7×10-3.14×10°)预料在现有实验条件下最源3,尽管尚有许多问题还在争论并有待解决好的结果可以达到5.3×10-61.9×10-47.85×但腔QED中原子与光场的强耦合作用已经达到了l0°)这意味着在这种情况下一个原子吸收腔内的前所未有的程度.事实上在这种情况下原子、光子一个光子随后辐射出该光子随后再吸收它灬和微腔三者已经构成一个纠缠的系统. Raimond形如此往复,秒中之内发生约8亿次.而在自由空象地称这样的系统为腔QED纠缠机器"( the cavity间我们知道原子跃迁以后辐射出的光子不会再 OEd entangling machine).这种机器”为人们提被原子吸收供了检验量子物理基本问题的有效工具如EPR态早期的实验主要采用微波腔以获得高Q值.( Einstein-Podolsky- Rosen pairs)的实验检验、量子测Meschede∞], Rempe45], Haroche3}]等研究小组量问题、量子非破坏测量、量子态的制备、量子逻辑相继在微波段实现了强耦合他们采用的是里德伯门等原子穿过共振或近共振的腔在光频波段较早的实山西大学光电研究所正在着手开展这方面的研验是用钠原子束穿过精细度为400左右的腔,研究究如图3所示我们采用的是铯原子双磁光阱结人员观察到了频率分裂现象但该现象是若干原子构在一级磁光阱中的原子通过偏振梯度冷却达到的集体效应3.1989年 Raizen3等把腔的精细度微开量级然后输运到二级真空室中并再次被冷却提高到26000此时〔mAN)=(32A0)1992年,和俘获进入微腔系统由于二级真空室的真空度较Thompson'71等采用1mm长的腔,精细度达到级汽室低一个量级而且铯原子本身的数量也大8000(mN)=(0.80.43)这是首次进入光场大减少从而有效地降低了二级真空室中背景原子与原子作用的强耦合,至此真正实现了单原子与单的碰撞微腔的反射率高达0.9999.精细度可达光子的强耦合35000右在腔长为10μm时,该腔QED系统所随着20世纪90年代冷原子技术的发展对原对应的临界光子数和临界原子数均远小于1.通过子的操纵能力越来越强与快速运动的热原子束相三束相互垂直的光学偶极俘获光相互重叠可以在比冷原子有许多优点宅可以帮助我们以很高的精微腔中产生尺度在微米量级深度为数毫开左右的度实时观察及操控原子利用原子的光学偶极俘获光学势阱从而在微腔中实现对单个原子的俘获( optical dipole trappin)对少数甚至单个粒子的控制3可以大大减小由于多原子效应带来的损耗磁光阱1原子冷却与俘获技术与腔QED结合使研究光与原子特别是单光子与单原子的作用成为现实磁光肼21999年 Laroche35小组在超导腔中首次实现双磁光阴了对单光子的量子非破坏测量( quantum non-demoouD系统lition measurement).对单个光子实现了看到了它但并未破坏它”. Kimble小组采用腔长只有10um的高精细度光学腔将临界光子数和临界原子数提高致m0N)=(0.000230.015)从而实现了对单个铯原子的实时测量27.2000年在冷原子基础上采用光学偶极力 optical dipole-force),成功地把单10-1个铯原子囚禁在厚度为1μm、直径为10μm左右的〃盘子"中,并能观察原子在盘子”中的运动轨图3采用双磁光阱MOT)系统结合光学偶极作用,可以实现道"[231.最近该小组还报道了把单原子与单光子的微腔中单原子的俘获并进而实现单原子与单光子的强耦合作用(图中下面部分显示采用相互正交的三束偶极俘获光,可形成作用时间提高到秒的量级的结果3这为进一步控微中国煤化工制原子带来了很大方便掴际上其他若干腔QED研究小组也取得了很大进展.日本的东京大学与美国CNMHG一步研究单原子与光国家标准研究所NT)合作不久前利用腔内原子子作用的量子行为以及基于腔QED技术的量子信实现了对光脉冲的控制)在德国最近 Rempe小息具有决定性的意义未来展开的研究包括基于单754·物理前沿进展光子在光学谐振腔中与单原子作用的量子逻辑门;正在传统F-P光学腔的基础上向纳米腔发展这在光学格子( optical lattice)上的多粒子俘获及其纠种基于光子晶体的纳米结构目前可以做到数千的Q缠的研究次于不同光子数统计的光场中受控原子值但其纳米级的尺度仍然可以使光与原子的作用辐射特性的研究以及原子的量子远程传送( quantum达到强耦合teleportation)y41等等5结束语4未来展望作为为数不多的能够在实验室环境下观察微观腔QED在近几年取得了巨大发展.这其中得益客体奇异量子行为的系统腔QED是人们研究量子于原子冷却与俘获技术的突破性进展.随着技术的系统的动力学过程的重要手段.处于腔外的观察者进步人们将在控制单量子系统以及他们之间的相企图通过各种测量了解腔内发生的真实过程但互作用方面继续向前迈进.腔的损耗以及残余的热系统内部的状态取决于外部测量的过程.光频区原光场对系统的相干性不可避免地带来破坏.另一个子与光子强耦合作用的实现为量子光学实验开辟了问题是原子的控制以铯原子为例即便是采用各种一个广阔的天地,一系列丰富多彩的现象正在被人技术将原子冷却到20μK(亚多普勒冷却)原子仍们揭示出来如三粒子纠缠态( GHZ entangled trip以约4cm/s的速度运动如果没有特别的控制措施,let)的产生纠缠原子的EPR态 Quantum teleport它穿越10μm大小的空间只需要0.25ms.人们设计 tion with atoms多光子的量子非破坏测量非经典态出各种各样的原子俘获办法然而对单粒子的长时的 Wigner函数的测量量子逻辑门的产生量子运间精确控制仍然是一大挑战算与量子纠错等等.人们在努力实现越来越大的宏种被称为量子伺服 quantum servos)的方法观客体之间的量子纠缠以期一瞥量子与经典之间已经被提出目前,包括加州理工学院 Mabuchi小组的界限等正在进行这方面的工作4.其基本思想是利用原子在腔內运动时不同的位置有不同的耦合强度从参考文献而引起出射场的变化利用这种变化可以反过来控1 urcel F M. Phvs,e1946,69制偶极俘获光场的分布从而控制原子的位置.与此2 Drexhage K H. In Progress in Optics( ed. by Wolf E). NewYork: North-Holland, 1974同时人们也提出了在腔QED系统中克服原子位置3] Jaynes E T, Cummings F w. Proc. IEE,1963,5889的不确定性带来的量子信息处理方面的困难的办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将在以下几个方向继续向前发展(1)量子态的产生在较早的实验中人们已经利用原子[6tompson R J, Kimble H J. Phys. Rev. Lett.束与腔场的作用产生压缩态和光子反聚束状态腔[7] Thompson R j, Rempe g, Kimble H J,Phys.Rev.LetQFD技术被证明是产生Fck态(如单光子态)992,68132Schrodinger猫态等量子态光场的重要手段(2)光 8] Brune M, Schmidtkaler I, Dreyer J et al.Phys.ew.Let,学非线性趼究少数几个粒子甚至单原子的非线性[9] Braginsky V B, Ilchenko v s,so.,Phys.Dokl.,1987,3效应是十分有趣的单光子与单原子在强耦合时会表现出强烈的非线性并可以实现光学开关等(3)10 Braginsky v b, gorodetsky et al, Phys. Lett.A.,1989,137纠缠态的消相卂( decoherence)腔控QED是帮助我们[1 1 Collot L, Lefevre-Sequin V, Brune m et al. Europhys.et理解消相干机制的重要手段.微腔纠缠系统事实上12 Gorodetsky M L et aL. Opt. Lett., 1996 21 153是一个介观( mesoscopIc)量子叠加系统,它在进[13]金乐天,王克逸,周绍祥,物理,2002,31:642[ Jin L T,步过度到宏观世界时其相干性会很快消失.(4)研Wang K Y, Zhou SX. Wuli( Physics ), 2002, 31 642(究原子辐射的基本过程特别是利用量子点实现的hinese )腔QED系统可以获得亚自然线宽辐射和单原子激[15光等(5)作为获得量子逻辑门量子存储、读取以H中国煤化工oay,199,124Semiconductor cavityCNMH Gcs in Modern ph及量子信息传输的重要手段*1169. Berlin: Springer-Verlag 2000[16] Ed. Berman PR. Cavity Quantum Electrodynamics. San Die-值得一提的是随着技术的发展腔QED方法.Academic press 199432卷(20方款瓣期755前沿进展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. Rev.[20] Pellizzari T, Gardiner S, Cirae J I et aL. Phys. Rev. Lett[ 34] Schlosser n, Reymond G, Protsenko I et al. Nature, 20011995,7537884111024[21 Turchette Q A, Hood C J, Mabuchi H et al. Phys. Rev. Lett., [35 Nogues G, Rauschenbeutel A, Osnaghi S et al. Nature, 19991995,7571040023922] Parkins A S, Marte P, Zoller P et al. Phys. Rev. Lett., 199336] McKeever J, Buck j R Boozer A D et al. quant-ph/0211013713095[37] Shimizu Y, Shiokawa N, Yamamoto N et aL. Phys. Rev. Lett23] Law CK, Kimble H J. Quantum Semiclass. Opt., 1997, 442002,8923300206738 Kuhn A, Hennrich M, Rempe G. Phys. Rev. Lett. 2002 8924] Cirac J I Zoller P, Kimble J H et al. Phys. Rev. Lett., 199778322139] Kimble H J. quant-ph/0210032, Kuhn A, Hennrich M25] van Enk S J, Cirac J I, Zoller P et aL. J Mod. Opt., 1997Rempe G. quant-ph/0211022[40] Rainmond J M, Brune M, Haroche S. Rev. Mod. Phys26] Haroche $, Raimond J M. Cavity Quantum Electrodynamics2001,73565Scientific American, 1993, 26[41 1 Zhang TC, Goh K W, Chou C Wet al. Phys. Rev. A, 200327 Hood C, Chapman M, Lynn T W et al. Phys. Rev. Lett67:033802[42]http:/minty.caltechedu/mabuchilAb/28 Hood C J, Lynn T W, Doherty A C et al. Science, 2000, [43] Duan L M, Kuzmich A, Kimble H J. Phys. Rev. A, 2003287144767:03730529] Meschede D, Walther H, Muller G. Phys. Rev. Lett., 1985[44 Soklakov A N, Schack R. Phys. Rev A, 2003 67: 03380430 Brune M, Raimond J M, Goy P et aL. Phys, Rev. Lett., 198759:1899口口◆口·口口·口◆。口·⊙口◆口口口·口口·口⊙口⊙·⊙口⊙口非口口口口中口中⊙·口⊙⊙口·⊙口口口非口·口D⊙·口⊙⊙口⊙口◆口口·口口中·口⊙·口⊙·。口鲁⊙口非口口·口D·口口口·口⊙·中国物理学会通讯中国物理学会2003年秋季学术会议总结中国物理学会秋季学术会议是中国物理学会的学家、中国科学技术大学理学院潘建伟博士等5位系列学术会议.它起始于1999年到203年已成功专家作了精彩的大会邀请报告会场气氛非常热烈地举办了四届.中国物理学会举办该系列会议的目听众积极投入到报告之后的提问、讨论之中的是增进国內物理学界的学术交流提高学术交流会议设粒子物理、场论与宇宙学"、核物理与水平促进物理学的全面发展和人才培养逐步将该加速器物理”原子、分子与光物理”“等离子体物系列会议办成像美国物理学会春季会议一样的中国理”“纳米结构与功能材料”、低维物理与介观物物理学界的品牌学术会议.理"丶表面物理″、强关联与超导物理”“磁学”、中国物理学会2003年秋季学术会议由中国科“软凝聚态物理”“液晶物理及其应用”、量子信息学技术大学结构分析国家重点实验室协办,于2003与计算”、物理教学、物理学与社会"及交叉学科年9月18—20日在安徽省合肥市举行是历届中规与其他”等14个专题进行了分组交流覆盖面广模最宏大的一次与会代表近700人其中参会院士共有430名专家、学者在分会场作了报告其中邀请20余人.会议由半天的大会邀请报告和两天半的专报告132个报告298个题报告组成会议共收到来自全国各地的论文389篇并出会议邀请我国超导专家、中国科协副主席、中国版了两本论文摘要集科学院物理研究所赵忠贤院士新当选中国物理学中国煤化工是参会的青年专家、会秘书长、中国科学院物理研究所所长王恩哥研究学者CNMHG学者在分组邀请报告员美国哈佛大学教授庄小微博士美国麻省理工学中崭露头角院胡青博士以及刚刚从奥地利回国的杰岀青年科(中国物理学会)756·物理