单原子清晰成像新方法：几微秒内完成

来源：科技日报

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科技日报记者 张佳欣

意大利里雅斯特大学人工量子系统实验室与国家研究委员会国家光学研究所的研究人员，共同提出了一种超高速、低损耗的单原子探测方法。该方法将强烈的微秒级荧光脉冲与快速再冷却相结合，能在几微秒内获得清晰的单原子成像，同时还能让超过99.5%的原子仍保留在光学陷阱中，并可重复使用，从而将单原子成像性能提升至新的水平。相关论文发表在最新一期《量子科学与技术》和《物理评论快报》杂志上。

不同于现有中性原子平台中常见的“零或一”二值探测方式，该方法能够在单个“光镊”中区分并计数多个原子，而不会产生明显的成像模糊，从而实现精确的原子数目原位测量。研究人员指出，这一能力对于中性原子量子计算的规模化发展、下一代原子钟的精度提升以及复杂多体量子模拟研究具有重要意义。

研究人员表示，传统成像通常需要较长曝光时间以收集足够光子信号，而他们采用了类似“相机闪光灯”的策略，在极短时间内对原子进行强烈照射，不仅显著缩短了成像时间，还能获得足够高的信噪比。

该方法还结合了快速冷却步骤。研究人员解释说，原子在成像过程中会获得一定能量，但不足以逃离光学陷阱。通过短而强的荧光脉冲进行照射后，研究人员可在极短时间内完成摄像，成像速度比典型方法快约1000倍。随后再利用快速冷却脉冲去除多余能量，使“光镊”内的原子能被反复成像。

在此基础上，研究团队还首次实现了对费米子同位素镱-173的单原子成像。该同位素具有6个内部基态能级，为构建基于“量子多能级”而非传统量子比特的量子电路提供了实验基础，有望提升量子信息存储与处理效率。

研究人员表示，该成果为中性原子量子技术平台的发展提供了关键工具，有望在量子计算、精密测量和量子模拟等领域发挥重要作用。