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意大利的里雅斯特大學(xué)人工量子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的研究人員。圖片來源：的里雅斯特大學(xué)

意大利的里雅斯特大學(xué)人工量子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室與國家研究委員會(huì)國家光學(xué)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(cè)方法。該方法將強(qiáng)烈的微秒級(jí)熒光脈沖與快速再冷卻相結(jié)合，在幾微秒內(nèi)即可獲得清晰的單原子成像，同時(shí)還能讓超過99.5%的原子仍保留在光學(xué)陷阱中，并可重復(fù)使用，將單原子成像性能推進(jìn)到新的水平。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《量子科學(xué)與技術(shù)》和《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

不同于現(xiàn)有中性原子平臺(tái)中常見的“零或一”二值探測(cè)方式，該方法能夠在單個(gè)“光鑷”中區(qū)分并計(jì)數(shù)多個(gè)原子，而不會(huì)產(chǎn)生明顯的成像模糊，從而實(shí)現(xiàn)精確的原子數(shù)目原位測(cè)量。研究人員指出，這一能力對(duì)于中性原子量子計(jì)算的規(guī)模化發(fā)展、下一代原子鐘的精度提升以及復(fù)雜多體量子模擬研究具有重要意義。

研究人員表示，傳統(tǒng)成像通常需要較長曝光時(shí)間以收集足夠光子信號(hào)，而他們采用了類似“相機(jī)閃光燈”的策略，在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)原子進(jìn)行強(qiáng)烈照射，不僅顯著縮短了成像時(shí)間，還能獲得足夠高的信噪比。

該方法還結(jié)合了快速冷卻步驟。研究人員解釋說，原子在成像過程中會(huì)獲得一定能量，但不足以逃離光學(xué)陷阱。通過短而強(qiáng)的熒光脈沖進(jìn)行照射后，研究人員可在極短時(shí)間內(nèi)完成攝像，成像速度比典型方法快約1000倍。隨后再利用快速冷卻脈沖去除多余能量，使“光鑷”內(nèi)的原子能被反復(fù)成像。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)費(fèi)米子同位素鐿-173的單原子成像。該同位素具有6個(gè)內(nèi)部基態(tài)能級(jí)，為構(gòu)建基于“量子多能級(jí)”而非傳統(tǒng)量子比特的量子電路提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，有望提升量子信息存儲(chǔ)與處理效率。