今天，在量子力學誕生近100年後，物理學家仍在研究光與物質之間的相互作用。
在上個世紀初，量子力學發展的驅動力之一是需要理解為什麼原子只能發出特定波長的光。 不久之後，量子力學被應用於分子，然後應用於固體。 另一方面，量子力學也被應用於基本粒子的性質，尤其是電子。
量子力學在所有這些領域都取得了巨大的成功。 事實上，量子電動力學，即光和物質如何相互作用的理論，是所有物理學中最強大、最精確的理論。 但更令人驚訝的是，量子理論仍然讓研究人員著迷。
有人可能會認為，量子力學問世100年後，我們對量子力學知之甚少。 但事實並非如此。 對量子力學的興趣，無論是理論上的還是實驗上的，現在可能比以往任何時候都更強烈。
所以物理學家如何將單個原子捕獲在平均只包含乙個光子的小盒子或腔中？這就是本文將要討論的內容
原子物理學家現在可以用單個光子捕獲單個原子並重建它們的軌跡。
原子物理學家現在能夠以高空間和時間解像度實時觀察單個原子的運動，重建它們的軌跡，並探索迄今為止未知的“光力”。 這種“單光子光鑷”的實現為原子內外量子態的控制、分子冷卻和量子資訊處理開闢了新的可能性。
早在 1991 年，巴黎高等師範學院的 Serge Haroche 和他的同事就提出了原子可以被單個光子困在空腔中的想法，當時在加興馬克斯蒲朗克量子光學研究所工作的 Berthold-Georg Englert 和他的同事們獨立提出了這個想法。
兩組都建議將原子放入微波腔中，在那裡它可能會被單個光子產生的場捕獲。 當勢能深度大於原子的動能時，就會發生俘獲。 勢能深度與腔內光子能量密度的平方根有關。 但是微波光子的能量很小，而由波長決定的腔的體積很大。 顯然，用微波製作的陷阱太淺，無法捕獲在重力作用下通過腔體的原子。
為了建立更小更深的陷阱，關鍵是用波長較短的光學光子代替微波。例如，高強度可見光現在通常用於操縱膠體顆粒、活細胞和原子的運動。 這些“光學鑷子”可以夾住雷射束焦點區域內的物體。
此外，雷射還用於減慢或“冷卻”原子：這種方法已廣泛用於基礎和應用研究。 例如，被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態的奇怪量子態、高精度原子鐘以及超靈敏的旋轉和重力感測器都使用冷原子。 雷射冷卻的捕獲離子也是光頻率標準或可擴充套件量子計算機的主要候選者，原則上，它們在某些任務中可以勝過傳統計算機。
然而，所有這些實驗都使用大量的光子來操縱原子運動，因為單個光子的場強通常不足以捕獲原子。 而且沒有乙個實驗足夠靈敏，無法實時跟蹤單個原子的運動。
然而，由於雷射冷卻和捕獲技術與腔量子電動力學 （QED） 方法的結合，這種情況最近發生了變化。 在過去的十年中，在使用由高質量鏡子製成的空腔操縱原子的光學特性方面取得了巨大進展。
現在，具有高反射壁的微小空腔內的光場可以捕獲緩慢移動的原子。
早在2024年，美國加州理工學院（Caltech）的Jeff Kimble和來自加州理工學院、紐西蘭奧克蘭大學的合作者，以及德國加興馬克斯蒲朗克量子光學研究所（MPQ）的研究團隊獨立報告說，這種獨特的技術組合使得捕獲和跟蹤光學腔中單個移動原子成為可能。
兩個研究團隊都使用高反射鏡形成了乙個高畫質光學腔，光在腔內完成的往返次數幾乎是破紀錄的。 在這些實驗中，腔平均只包含乙個光子，因此充當單光子光鑷。
當光束的能量與原子中兩個電子能級之間的能量差相匹配時（即當光與原子躍遷共振時），可以用光檢測到大量的原子樣品。
原子吸收光，減少通過樣品傳輸的光子通量。 這種效應很大，當樣品包含至少幾千個原子時，很容易測量。 但只檢測單個原子並非易事。 特別是，由於單個原子的存在而導致的光束衰減太小，無法在雷射強度的波動或“雜訊”中被檢測到。
在螢光成像中，當單個離子或原子在吸收和發射光子的陷阱中靜止時，雜訊問題就不大了。 雖然這種成像技術已成為常規技術，但必須注意的是，可用訊號受到光子散射率和探測系統固定角度的嚴重限制。 觀察粒子通常需要較長的積分時間，因此該檢測方案不適合以高空間和時間解像度跟蹤單個原子的運動。
然而，非共振光可以克服共振檢測方案的缺點。 在這種情況下，單個原子不吸收或發射光，而是改變入射光波的相位——這種效應可以歸因於原子的折射率。
當然，單個原子的折射率很小，但在高精細的腔體中，光線在腔鏡之間來回多次，從而增強了效果。 例如，空腔可以細到 500,000 次，這意味著鏡面反射光線約 160,000 次。 這樣，迴圈光一次又一次地探測原子，導致多次往返後產生較大的相移。
可以看出，即使是乙個空腔中乙個原子的折射率，也會顯著改變反射鏡之間光路的長度。 結果，原子能夠用外部雷射調節腔體發出的光的共振頻率或共振頻率。 （腔體的諧振頻率或波長由鏡面間距決定）。 在固定雷射頻率的情況下，移動的原子會引起通過腔體傳輸的光強度的變化：當腔體共振較窄時，可以很容易地測量這種效應。
共振光也可用於觀察空腔中的原子。 在這種情況下，折射率不會改變，但吸收的光量很大。 這種吸收降低了光在腔中的透射率並增加了反射率——腔中的單個原子可以產生如此大的影響，這是令人驚訝的。
2024年，加州理工學院的Hideo Mabuchi及其合作者首次觀察到了這種效應，當時單個原子緩慢地穿過乙個高度精細的腔體。
單原子檢測。 （a） 德國加興馬克斯·蒲朗克量子光學研究所用於在高畫質光學腔中捕獲單個原子的部分光學系統和真空系統。 （b） 在MPQ實驗中，在磁光阱中收集和冷卻的銣原子（綠色）向上發射到乙個長110μm、細430,000μm的空腔中。 波長為 780 奈米的弱雷射發出的光在腔中產生駐波，通過測量通過腔體的光來檢測原子。 （c） 如果光的波長與原子共振，則原子的存在是通過透射率的降低發出訊號的。 （d） 即使光不與空腔或原子共振，也可以通過調整外部雷射，使包含乙個原子的空腔與輸入光共振，從而檢測到原子的存在。 換句話說，原子使空腔與光共振，所示的三個峰中的每乙個都是單個原子的特徵。
但是探測單個原子所需的最佳光強度是多少？直覺上，人們會認為訊雜比隨著照射雷射強度的增加而增加，因此強雷射束比弱雷射束更有用。
然而，強雷射束很容易將原子激發到高能狀態，導致它們失去吸收更多光的能力——這種效應被稱為飽和。 在這個階段，原子介質變得透明。
飽和也會改變原子的折射率。 對於足夠強度的雷射，該折射率接近真空的折射率。 在這種情況下，原子不能再移動光波的相位。 當強度超過一定值時，飽和使得單個原子難以通過吸收或腔體折射率的變化來檢測。
但是這個強度的上限有多大？
對於加州理工學院和MPQ實驗中的銫和銣原子，飽和發生在中等強度下。 由於強度與每個腔體積的光子數成正比，因此隨著腔尺寸的減小，使原子飽和所需的光子數也會減少。 在最近的實驗中，鏡子之間的間距小至10微公尺。 在如此微小的空腔中，即使平均存在少於乙個光子，原子也會達到飽和，這就解釋了為什麼這些實驗中使用的功率水平約為 1 皮瓦（10 -12 瓦）——相當於大約乙個空腔光子。
當光與原子躍遷頻率共振時，飽和問題尤為嚴重。 對於非共振光，需要更多的光子來使原子飽和，從而放寬了光強度的限制。
當光線強度足以使原子飽和時會發生什麼？在這種情況下，原子在相當長的一段時間內處於激發態。 它可以通過自發輻射或空腔內光場的刺激恢復到基態，這是乙個更快的過程。 當光場強度較高時，原子更容易通過受激發射發射出光子。
在小腔中，單光子場的強度足以刺激激發原子態的衰變。 令人驚訝的是，光子在開始發射之前不需要在空腔中。 自發發射導致光子進入腔體，從而激發其自身的發射。 結果，受激原子將能量輻射到腔中，而不是輻射到腔外的自由空間連續體中。
如果細微差別很大，光子就會儲存在腔中並周期性地被原子吸收，然後多次重新發射到腔中，然後消失在腔外的環境中。 這種新穎的振盪輻射特性是所謂的腔QED強耦合機制的典型特徵，其中單個原子與單個光子的相干耦合使自發發射成為可逆過程。
世界各地的許多研究小組已經研究了這些輻射特性，但現在只能通過新一代的腔QED實驗來探索這些條件下原子的運動。
輻射壓力可能是光施加在原子上的力中最廣為人知的。 在這種情況下，原子吸收共振光並受到雷射束方向的動量的影響。
儘管原子的動量在自發發射光子時會再次發生變化，但第二個動量的方向是完全隨機的，因此在多次吸收-發射迴圈後平均為零。
另一方面，誘導跳躍會產生所謂的偶極力。 對這種力的經典理解是，驅動雷射的電場會引起原子電子的機械振盪。 產生的振盪偶極矩在具有強度梯度的光場中受到力，例如駐波。
該力的大小取決於雷射相對於原子躍遷頻率的“失諧”。 例如，當雷射頻率低於原子頻率時，原子偶極子被誘導與驅動雷射場同相振盪，原子被吸引到高強度區域，就像一小張紙被帶電物體吸引一樣。
因此，偶極子力可以將粒子捕獲到“紅色調諧”雷射束的焦點區域。 對於“藍色調諧”雷射器（即雷射頻率高於原子躍遷頻率），偶極子相對於雷射的振盪相位是偏斜的，因此原子被排除在高強度區域之外。
在空腔內，原子的輻射特性會發生變化，這會對光產生的力產生巨大影響。 由於移動的原子會導致腔內場的強度隨位置而變化，因此會產生新的效果。 例如，2024年，奧地利因斯布魯克大學的彼得·霍拉克（Peter Horak）和他的合作者提出，原子在通過節點和反節點（即最小和最大）通過駐波腔時可以冷卻。
為了解釋這種冷卻機制並說明為什麼空腔起著至關重要的作用，讓我們考慮乙個案例，即反節點處原子的強耦合增強了空腔中光場的強度，在這種情況下，雷射相對於原子進行紅色調諧，導致偶極子力將原子吸引到反節點。 結果，移動的原子在接近相鄰節點時會減慢速度。 當原子到達該節點時，它與腔模的耦合消失，光場強度降低。
結果，原子在接近下乙個反節點時在黑暗中移動，獲得的動能非常少，當然不足以彌補之前的損失。
正因為如此，原子的運動減慢了，僅僅是因為高質量腔中的場不能根據原子的運動快速調整。 與傳統的雷射冷卻不同，傳統的雷射冷卻通過自發發射光子來減慢原子的速度，而腔冷卻中的耗散機制涉及腔中光子的損失。 利用這種空腔介導的“摩擦”，可以冷卻無法通過標準雷射冷卻技術冷卻的分子。
單光子鑷子。 銣原子進入MPQ實驗的極細腔體會導致透射功率增加，從而觸發反饋開關，從而增加驅動雷射的功率（虛線）。 這會將原子捕獲在平均包含乙個光子的光場中，並且原子在腔中停留長達 1 個光子7 毫秒;3毫秒後，雷射強度恢復到初始值，等待下乙個原子**。 透射光功率的大振盪反映了捕獲原子的運動。 在加州理工學院的實驗中，這些振盪更加有規律，表明原子的運動更具週期性。
空腔介導的冷卻很有趣，因為它補充了其他最近開發的捕獲分子的技術。
然而，除了改變腔內場的強度外，周期性地與腔內交換能量的原子還會引起光場振幅和相位的快速波動。 由於捕獲電位是由腔內的光場決定的，因此這些變化會引起光力的波動。 這些波動反過來又以隨機方式影響原子的動量，通常是通過增加冷原子的速度來加熱它。
腔體-QED方案的乙個顯著特點是，即使腔中只有乙個光子，阱的深度也足以容納雷射冷卻的原子。 由於每個光子的電場很大，每個光子的光力也很大，因此可以在乙個小腔中捕獲單個光子。
但是要將原子捕獲在光子偶極電位中，還有乙個技巧：在接近的原子到達腔的中心之前，電勢不能開啟。 否則，從一側落入陷阱的原子會從另一側逃脫，就像滾入碗中的彈珠會再次滾出而不會被抓住一樣。
由於我們現在可以觀察平均包含少於乙個光子的腔場中原子的位置，因此我們可以在適當的時候開啟電勢。
當原子進入腔體時，它們會導致來自外部雷射器的光傳輸增加，從而觸發乙個開關，增加驅動雷射器的功率。 如果時機正確，原子將在駐波偶極子勢的相反節點上停留幾毫秒——大約是不切換時的十倍。
在透射強度中明顯的大振盪反映了被俘原子的運動。 特別是當原子在空腔中心時，透射率高，而當原子遠離空腔軸線時，透射率降低。
乍一看，在空腔中用單個光子捕獲原子似乎類似於在自由空間中用雷射束捕獲原子;不同之處在於，腔體強度的增加使我們能夠使用弱雷射。 然而，原子與空腔的強耦合需要概念上不同的描述，我們可以通過借用化學中的簡單**來理解。
原子在行動。 在加州理工學院實驗中測量的單個原子的重建軌跡。 由於空腔較小，原子相應地耦合到空腔，從而產生規則的軌跡（綠色）。 原子從上方落入空腔後，在垂直於空腔軸線的平面上，圍繞反節點中心的高強度區域（紅色）快速繞行;運動週期約為 150 微秒，原子在腔中停留的時間約為 1 毫秒。
正如氫分子中的兩個質子可以被對稱（即組合）或反對稱（反束縛）電子波函式包圍一樣，在原子腔系統中，原子偶極矩可以與光場同相（結合）或異相振盪（反鍵合）。
原子腔“分子”的兩種狀態都包含乙個能量量子，它可以在原子和空穴之間振盪。 因此，這個量子由原子（作為電子激發）和空穴（作為光子）共享，就像氫分子中的電子由兩個質子共享一樣。
這種共享意味著原子捕獲也會導致光子捕獲。 在這種情況下，具有長壽命激發態的原子的存在延長了光子在腔中的停留時間。
原子物理學家現在可以通過測量通過腔體的光來逆向計算原子的經典軌跡。 這是可能的，因為透射光取決於原子和空腔之間的耦合，而空腔又取決於原子的位置。
在加州理工學院的實驗中，巨大的原子場耦合強烈地將原子限制在乙個反節點上，因此它的運動主要侷限於垂直於腔軸的平面內。 預計這種運動將是有規律的，幾乎沒有自發輻射的擾動。
因此，我們可以假設原子圍繞腔軸的角動量在一次旋轉期間幾乎沒有變化，角動量守恆意味著我們可以確定運動常數。
除了角動量的符號和原子所在的特定反節點外，二維軌道還可以通過基於經典運動方程的演算法從資料中重建。 通過應用模擬原子運動獲得的訊號，對重構演算法進行了測試。 事實上，加州理工學院的克里斯蒂娜·胡德（Christina Hood）和她的合作者發現，在10微秒的時間尺度上，這種推斷軌跡的空間解像度通常約為2微公尺。
MPQ的研究團隊還進行了模擬，以探索空腔中原子的運動。 在MPQ實驗中，捕獲電位較弱，因此原子運動更容易受到自發輻射的干擾。
模擬運動。 模擬原子在空腔中的運動，在MPQ實驗中，原子與較大空腔中光場之間的耦合相對較小，這增加了自發輻射事件的動量衝擊的影響。 這些動量擾亂了原子在垂直於腔軸的平面上的規則運動，使原子軌跡（黃色）更加隨機。 原子從下面進入並得到大約 12 毫秒
原子躍遷。 波動的電勢增加了原子的速度，而空腔介導的摩擦降低了原子的速度。 在這種情況下，原子可以離開乙個反節點（用水平線表示），沿著腔的軸飛行，然後被另乙個反節點重新捕獲。 根據模擬，該原子連續飛越兩個反節點。 在飛行之前和之後，捕獲的原子在相關的反節點周圍快速擺動。 在通過腔體傳輸的光中觀察到的光子週期性爆發可以證明原子已經進行了長途飛行。
模擬結果還表明，捕獲的原子有時會飛向另乙個遙遠的反節點，使該運動成為真正的三維運動。 這種運動是由兩種不同但同樣重要的機制引起的。 首先，由於捕獲電位的波動，原子從反節點被加熱出來。 然後，當空腔介導的摩擦（與原子速度成正比）冷卻移動的原子時，原子被困在另乙個反節點中。
原子長距離飛行的實驗證據來自對空腔中透射光強度波動的測量。 當原子靠近反節點時，透射率較大，而當原子靠近節點時，透射率降低，提供有關原子位置的寶貴資訊。 特別是，沿腔軸運動的原子周期性地調節透射率。
一般來說，傳輸強度是不穩定的，但偶爾會有週期性的振盪，然後變得隨機。 根據對這種行為的解釋，光強中的每個峰值都是由於原子與它所經過的每個反節點的強耦合，直到它穩定在遙遠的反節點上。
使我們能夠測量空腔中原子軌跡的技術也可用於研究發生化學反應或生物過程時單個分子的動力學。
另乙個令人興奮的可能性是擴充套件在科學和工程的不同領域開發的技術，即監控系統的狀態並應用適當的反饋迴路來控制狀態。 例如，化學反應可以通過適當定製的超短雷射脈衝進行相干控制。 這些脈衝在連續的實驗中進行了優化，但始終應用於以相同方式製備的分子系統。
然而，新一代的原子腔實驗使我們能夠重複研究應用於同一系統的反饋迴路，而不必為每個實驗準備處於相同初始狀態的系統。 此外，這個反饋實驗還為我們提供了乙個令人興奮的可能性，即：根據量子力學定律，可以精確控制原子在腔中的運動
反饋實驗也可以將腔中的原子冷卻到低溫。 通過對原子施加校正力——一種“隨機冷卻”技術的變體，用於冷卻儲存在高能加速器中的粒子，我們可能能夠將原子冷卻到原子運動的量子力學特性變得重要的區域。
在這個階段，原子不能再被看作是沿著經典軌跡運動的點狀粒子。 相反，它必須被看作是乙個可以在太空中連續觀察的波包。 根據海森堡的不確定性原理，每當我們找到乙個原子時，波包的動量就會發生變化。 這種量子極限的測量將是未來實驗的乙個挑戰。
當腔中同時存在兩個或多個原子時，會出現另一種有趣的情況。 在這種情況下，乙個原子發射的光子被儲存在空腔中，被另乙個原子吸收，然後重新發射到空腔中，被第乙個（甚至第三個）原子重新吸收。 因此，原子不是相互獨立的。 相反，空腔中的公共場在原子之間建立了長程相互作用，因此可以預期多個原子的運動會產生協同效應。 例如，當乙個原子從乙個反節點移動到乙個節點時，如果腔中的場被開啟，那麼它就會影響其他原子的運動。
乙個或多個單個原子處於靜止狀態並與電磁場的單一模式強耦合的系統是測試量子計算和量子資訊處理中基本概念的理想選擇。
事實上，現在在奧克蘭大學的斯科特·帕金斯（Scott Parkins）以及科羅拉多州博爾德的JILA實驗室和加州理工學院的合作者於2024年首次提出該系統作為高效的量子介面。 利用原子與單光子的強耦合，應該可以將原子介質中的靜止量子位元對映到傳播光場，反之亦然。 換句話說，該方案可以將量子資訊從乙個地方傳送到另乙個地方。
此外，腔中的兩個原子可以實現“受控非門”——量子計算機的基本組成部分。
單個原子和光學光子的腔QED實驗必將在未來許多年內提供豐富的物理資料，並可能在未來在物理和生命科學領域引發大量應用。
正因為如此，量子力學在未來的許多年裡必將有乙個光明的未來。