新方法幾微秒內完成單原子清晰成像

科技日報訊 （記者張佳欣）意大利的裏雅斯特大學人工量子系統實驗室與國家研究委員會國家光學研究所的研究人員，提出了一種超高速、低損耗的單原子探測方法。該方法將強烈的微秒級熒光脈衝與快速再冷卻相結合，在幾微秒內即可獲得清晰的單原子成像，同時還能讓超過99.5%的原子仍保留在光學陷阱中，並可重復使用，將單原子成像性能推進到新的水平。相關論文發表在最新一期《量子科學與技術》和《物理評論快報》雜誌上。

　　不同於現有中性原子平台中常見的“零或一”二值探測方式，該方法能夠在單個“光鑷”中區分並計數多個原子，而不會産生明顯的成像模糊，從而實現精確的原子數目原位測量。研究人員指出，這一能力對於中性原子量子計算的規模化發展、下一代原子鐘的精度提升以及複雜多體量子模擬研究具有重要意義。

　　研究人員表示，傳統成像通常需要較長曝光時間以收集足夠光子信號，而他們採用了類似“相機閃光燈”的策略，在極短時間內對原子進行強烈照射，不僅顯著縮短了成像時間，還能獲得足夠高的信噪比。

　　該方法還結合了快速冷卻步驟。研究人員解釋説，原子在成像過程中會獲得一定能量，但不足以逃離光學陷阱。通過短而強的熒光脈衝進行照射後，研究人員可在極短時間內完成攝像，成像速度比典型方法快約1000倍。隨後再利用快速冷卻脈衝去除多餘能量，使“光鑷”內的原子能被反復成像。

　　在此基礎上，研究團隊還首次實現了對費米子同位素鐿-173的單原子成像。該同位素具有6個內部基態能級，為構建基於“量子多能級”而非傳統量子比特的量子電路提供了實驗基礎，有望提升量子信息存儲與處理效率。