今天，在量子力学诞生近100年后，物理学家仍在研究光与物质之间的相互作用。
在上个世纪初，量子力学发展的驱动力之一是需要理解为什么原子只能发出特定波长的光。 不久之后，量子力学被应用于分子，然后应用于固体。 另一方面，量子力学也被应用于基本粒子的性质，尤其是电子。
量子力学在所有这些领域都取得了巨大的成功。 事实上，量子电动力学，即光和物质如何相互作用的理论，是所有物理学中最强大、最精确的理论。 但更令人惊讶的是，量子理论仍然让研究人员着迷。
有人可能会认为，量子力学问世100年后，我们对量子力学知之甚少。 但事实并非如此。 对量子力学的兴趣，无论是理论上的还是实验上的，现在可能比以往任何时候都更强烈。
所以物理学家如何将单个原子捕获在平均只包含一个光子的小盒子或腔中？这就是本文将要讨论的内容
原子物理学家现在可以用单个光子捕获单个原子并重建它们的轨迹。
原子物理学家现在能够以高空间和时间分辨率实时观察单个原子的运动，重建它们的轨迹，并探索迄今为止未知的“光力”。 这种“单光子光镊”的实现为原子内外量子态的控制、分子冷却和量子信息处理开辟了新的可能性。
早在 1991 年，巴黎高等师范学院的 Serge Haroche 和他的同事就提出了原子可以被单个光子困在空腔中的想法，当时在加兴马克斯普朗克量子光学研究所工作的 Berthold-Georg Englert 和他的同事们独立提出了这个想法。
两组都建议将原子放入微波腔中，在那里它可能会被单个光子产生的场捕获。 当势能深度大于原子的动能时，就会发生俘获。 势能深度与腔内光子能量密度的平方根有关。 但是微波光子的能量很小，而由波长决定的腔的体积很大。 显然，用微波制作的陷阱太浅，无法捕获在重力作用下通过腔体的原子。
为了创建更小更深的陷阱，关键是用波长较短的光学光子代替微波。例如，高强度可见光现在通常用于操纵胶体颗粒、活细胞和原子的运动。 这些“光学镊子”可以夹住激光束焦点区域内的物体。
此外，激光还用于减慢或“冷却”原子：这种方法已广泛用于基础和应用研究。 例如，被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的奇怪量子态、高精度原子钟以及超灵敏的旋转和重力传感器都使用冷原子。 激光冷却的捕获离子也是光频率标准或可扩展量子计算机的主要候选者，原则上，它们在某些任务中可以胜过传统计算机。
然而，所有这些实验都使用大量的光子来操纵原子运动，因为单个光子的场强通常不足以捕获原子。 而且没有一个实验足够灵敏，无法实时跟踪单个原子的运动。
然而，由于激光冷却和捕获技术与腔量子电动力学 （QED） 方法的结合，这种情况最近发生了变化。 在过去的十年中，在使用由高质量镜子制成的空腔操纵原子的光学特性方面取得了巨大进展。
现在，具有高反射壁的微小空腔内的光场可以捕获缓慢移动的原子。
早在2024年，美国加州理工学院（Caltech）的Jeff Kimble和来自加州理工学院、新西兰奥克兰大学的合作者，以及德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的研究团队独立报告说，这种独特的技术组合使得捕获和跟踪光学腔中单个移动原子成为可能。
两个研究团队都使用高反射镜形成了一个高清光学腔，光在腔内完成的往返次数几乎是破纪录的。 在这些实验中，腔平均只包含一个光子，因此充当单光子光镊。
当光束的能量与原子中两个电子能级之间的能量差相匹配时（即当光与原子跃迁共振时），可以用光检测到大量的原子样品。
原子吸收光，减少通过样品传输的光子通量。 这种效应很大，当样品包含至少几千个原子时，很容易测量。 但只检测单个原子并非易事。 特别是，由于单个原子的存在而导致的光束衰减太小，无法在激光强度的波动或“噪声”中被检测到。
在荧光成像中，当单个离子或原子在吸收和发射光子的陷阱中静止时，噪声问题就不大了。 虽然这种成像技术已成为常规技术，但必须注意的是，可用信号受到光子散射率和探测系统固定角度的严重限制。 观察粒子通常需要较长的积分时间，因此该检测方案不适合以高空间和时间分辨率跟踪单个原子的运动。
然而，非共振光可以克服共振检测方案的缺点。 在这种情况下，单个原子不吸收或发射光，而是改变入射光波的相位——这种效应可以归因于原子的折射率。
当然，单个原子的折射率很小，但在高精细的腔体中，光线在腔镜之间来回多次，从而增强了效果。 例如，空腔可以细到 500,000 次，这意味着镜面反射光线约 160,000 次。 这样，循环光一次又一次地探测原子，导致多次往返后产生较大的相移。
可以看出，即使是一个空腔中一个原子的折射率，也会显著改变反射镜之间光路的长度。 结果，原子能够用外部激光调节腔体发出的光的共振频率或共振频率。 （腔体的谐振频率或波长由镜面间距决定）。 在固定激光频率的情况下，移动的原子会引起通过腔体传输的光强度的变化：当腔体共振较窄时，可以很容易地测量这种效应。
共振光也可用于观察空腔中的原子。 在这种情况下，折射率不会改变，但吸收的光量很大。 这种吸收降低了光在腔中的透射率并增加了反射率——腔中的单个原子可以产生如此大的影响，这是令人惊讶的。
2024年，加州理工学院的Hideo Mabuchi及其合作者首次观察到了这种效应，当时单个原子缓慢地穿过一个高度精细的腔体。
单原子检测。 （a） 德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所用于在高清光学腔中捕获单个原子的部分光学系统和真空系统。 （b） 在MPQ实验中，在磁光阱中收集和冷却的铷原子（绿色）向上发射到一个长110μm、细430,000μm的空腔中。 波长为 780 纳米的弱激光发出的光在腔中产生驻波，通过测量通过腔体的光来检测原子。 （c） 如果光的波长与原子共振，则原子的存在是通过透射率的降低发出信号的。 （d） 即使光不与空腔或原子共振，也可以通过调整外部激光，使包含一个原子的空腔与输入光共振，从而检测到原子的存在。 换句话说，原子使空腔与光共振，所示的三个峰中的每一个都是单个原子的特征。
但是探测单个原子所需的最佳光强度是多少？直觉上，人们会认为信噪比随着照射激光强度的增加而增加，因此强激光束比弱激光束更有用。
然而，强激光束很容易将原子激发到高能状态，导致它们失去吸收更多光的能力——这种效应被称为饱和。 在这个阶段，原子介质变得透明。
饱和也会改变原子的折射率。 对于足够强度的激光，该折射率接近真空的折射率。 在这种情况下，原子不能再移动光波的相位。 当强度超过一定值时，饱和使得单个原子难以通过吸收或腔体折射率的变化来检测。
但是这个强度的上限有多大？
对于加州理工学院和MPQ实验中的铯和铷原子，饱和发生在中等强度下。 由于强度与每个腔体积的光子数成正比，因此随着腔尺寸的减小，使原子饱和所需的光子数也会减少。 在最近的实验中，镜子之间的间距小至10微米。 在如此微小的空腔中，即使平均存在少于一个光子，原子也会达到饱和，这就解释了为什么这些实验中使用的功率水平约为 1 皮瓦（10 -12 瓦）——相当于大约一个空腔光子。
当光与原子跃迁频率共振时，饱和问题尤为严重。 对于非共振光，需要更多的光子来使原子饱和，从而放宽了光强度的限制。
当光线强度足以使原子饱和时会发生什么？在这种情况下，原子在相当长的一段时间内处于激发态。 它可以通过自发辐射或空腔内光场的刺激恢复到基态，这是一个更快的过程。 当光场强度较高时，原子更容易通过受激发射发射出光子。
在小腔中，单光子场的强度足以刺激激发原子态的衰变。 令人惊讶的是，光子在开始发射之前不需要在空腔中。 自发发射导致光子进入腔体，从而激发其自身的发射。 结果，受激原子将能量辐射到腔中，而不是辐射到腔外的自由空间连续体中。
如果细微差别很大，光子就会储存在腔中并周期性地被原子吸收，然后多次重新发射到腔中，然后消失在腔外的环境中。 这种新颖的振荡辐射特性是所谓的腔QED强耦合机制的典型特征，其中单个原子与单个光子的相干耦合使自发发射成为可逆过程。
世界各地的许多研究小组已经研究了这些辐射特性，但现在只能通过新一代的腔QED实验来探索这些条件下原子的运动。
辐射压力可能是光施加在原子上的力中最广为人知的。 在这种情况下，原子吸收共振光并受到激光束方向的动量的影响。
尽管原子的动量在自发发射光子时会再次发生变化，但第二个动量的方向是完全随机的，因此在多次吸收-发射循环后平均为零。
另一方面，诱导跳跃会产生所谓的偶极力。 对这种力的经典理解是，驱动激光的电场会引起原子电子的机械振荡。 产生的振荡偶极矩在具有强度梯度的光场中受到力，例如驻波。
该力的大小取决于激光相对于原子跃迁频率的“失谐”。 例如，当激光频率低于原子频率时，原子偶极子被诱导与驱动激光场同相振荡，原子被吸引到高强度区域，就像一小张纸被带电物体吸引一样。
因此，偶极子力可以将粒子捕获到“红色调谐”激光束的焦点区域。 对于“蓝色调谐”激光器（即激光频率高于原子跃迁频率），偶极子相对于激光的振荡相位是偏斜的，因此原子被排除在高强度区域之外。
在空腔内，原子的辐射特性会发生变化，这会对光产生的力产生巨大影响。 由于移动的原子会导致腔内场的强度随位置而变化，因此会产生新的效果。 例如，2024年，奥地利因斯布鲁克大学的彼得·霍拉克（Peter Horak）和他的合作者提出，原子在通过节点和反节点（即最小和最大）通过驻波腔时可以冷却。
为了解释这种冷却机制并说明为什么空腔起着至关重要的作用，让我们考虑一个案例，即反节点处原子的强耦合增强了空腔中光场的强度，在这种情况下，激光相对于原子进行红色调谐，导致偶极子力将原子吸引到反节点。 结果，移动的原子在接近相邻节点时会减慢速度。 当原子到达该节点时，它与腔模的耦合消失，光场强度降低。
结果，原子在接近下一个反节点时在黑暗中移动，获得的动能非常少，当然不足以弥补之前的损失。
正因为如此，原子的运动减慢了，仅仅是因为高质量腔中的场不能根据原子的运动快速调整。 与传统的激光冷却不同，传统的激光冷却通过自发发射光子来减慢原子的速度，而腔冷却中的耗散机制涉及腔中光子的损失。 利用这种空腔介导的“摩擦”，可以冷却无法通过标准激光冷却技术冷却的分子。
单光子镊子。 铷原子进入MPQ实验的极细腔体会导致透射功率增加，从而触发反馈开关，从而增加驱动激光的功率（虚线）。 这会将原子捕获在平均包含一个光子的光场中，并且原子在腔中停留长达 1 个光子7 毫秒;3毫秒后，激光强度恢复到初始值，等待下一个原子**。 透射光功率的大振荡反映了捕获原子的运动。 在加州理工学院的实验中，这些振荡更加有规律，表明原子的运动更具周期性。
空腔介导的冷却很有趣，因为它补充了其他最近开发的捕获分子的技术。
然而，除了改变腔内场的强度外，周期性地与腔内交换能量的原子还会引起光场振幅和相位的快速波动。 由于捕获电位是由腔内的光场决定的，因此这些变化会引起光力的波动。 这些波动反过来又以随机方式影响原子的动量，通常是通过增加冷原子的速度来加热它。
腔体-QED方案的一个显着特点是，即使腔中只有一个光子，阱的深度也足以容纳激光冷却的原子。 由于每个光子的电场很大，每个光子的光力也很大，因此可以在一个小腔中捕获单个光子。
但是要将原子捕获在光子偶极电位中，还有一个技巧：在接近的原子到达腔的中心之前，电势不能打开。 否则，从一侧落入陷阱的原子会从另一侧逃脱，就像滚入碗中的弹珠会再次滚出而不会被抓住一样。
由于我们现在可以观察平均包含少于一个光子的腔场中原子的位置，因此我们可以在适当的时候打开电势。
当原子进入腔体时，它们会导致来自外部激光器的光传输增加，从而触发一个开关，增加驱动激光器的功率。 如果时机正确，原子将在驻波偶极子势的相反节点上停留几毫秒——大约是不切换时的十倍。
在透射强度中明显的大振荡反映了被俘原子的运动。 特别是当原子在空腔中心时，透射率高，而当原子远离空腔轴线时，透射率降低。
乍一看，在空腔中用单个光子捕获原子似乎类似于在自由空间中用激光束捕获原子;不同之处在于，腔体强度的增加使我们能够使用弱激光。 然而，原子与空腔的强耦合需要概念上不同的描述，我们可以通过借用化学中的简单**来理解。
原子在行动。 在加州理工学院实验中测量的单个原子的重建轨迹。 由于空腔较小，原子相应地耦合到空腔，从而产生规则的轨迹（绿色）。 原子从上方落入空腔后，在垂直于空腔轴线的平面上，围绕反节点中心的高强度区域（红色）快速绕行;运动周期约为 150 微秒，原子在腔中停留的时间约为 1 毫秒。
正如氢分子中的两个质子可以被对称（即组合）或反对称（反束缚）电子波函数包围一样，在原子腔系统中，原子偶极矩可以与光场同相（结合）或异相振荡（反键合）。
原子腔“分子”的两种状态都包含一个能量量子，它可以在原子和空穴之间振荡。 因此，这个量子由原子（作为电子激发）和空穴（作为光子）共享，就像氢分子中的电子由两个质子共享一样。
这种共享意味着原子捕获也会导致光子捕获。 在这种情况下，具有长寿命激发态的原子的存在延长了光子在腔中的停留时间。
原子物理学家现在可以通过测量通过腔体的光来逆向计算原子的经典轨迹。 这是可能的，因为透射光取决于原子和空腔之间的耦合，而空腔又取决于原子的位置。
在加州理工学院的实验中，巨大的原子场耦合强烈地将原子限制在一个反节点上，因此它的运动主要局限于垂直于腔轴的平面内。 预计这种运动将是有规律的，几乎没有自发辐射的扰动。
因此，我们可以假设原子围绕腔轴的角动量在一次旋转期间几乎没有变化，角动量守恒意味着我们可以确定运动常数。
除了角动量的符号和原子所在的特定反节点外，二维轨道还可以通过基于经典运动方程的算法从数据中重建。 通过应用模拟原子运动获得的信号，对重构算法进行了测试。 事实上，加州理工学院的克里斯蒂娜·胡德（Christina Hood）和她的合作者发现，在10微秒的时间尺度上，这种推断轨迹的空间分辨率通常约为2微米。
MPQ的研究团队还进行了模拟，以探索空腔中原子的运动。 在MPQ实验中，捕获电位较弱，因此原子运动更容易受到自发辐射的干扰。
模拟运动。 模拟原子在空腔中的运动，在MPQ实验中，原子与较大空腔中光场之间的耦合相对较小，这增加了自发辐射事件的动量冲击的影响。 这些动量扰乱了原子在垂直于腔轴的平面上的规则运动，使原子轨迹（黄色）更加随机。 原子从下面进入并得到大约 12 毫秒
原子跃迁。 波动的电势增加了原子的速度，而空腔介导的摩擦降低了原子的速度。 在这种情况下，原子可以离开一个反节点（用水平线表示），沿着腔的轴飞行，然后被另一个反节点重新捕获。 根据模拟，该原子连续飞越两个反节点。 在飞行之前和之后，捕获的原子在相关的反节点周围快速摆动。 在通过腔体传输的光中观察到的光子周期性爆发可以证明原子已经进行了长途飞行。
仿真结果还表明，捕获的原子有时会飞向另一个遥远的反节点，使该运动成为真正的三维运动。 这种运动是由两种不同但同样重要的机制引起的。 首先，由于捕获电位的波动，原子从反节点被加热出来。 然后，当空腔介导的摩擦（与原子速度成正比）冷却移动的原子时，原子被困在另一个反节点中。
原子长距离飞行的实验证据来自对空腔中透射光强度波动的测量。 当原子靠近反节点时，透射率较大，而当原子靠近节点时，透射率降低，提供有关原子位置的宝贵信息。 特别是，沿腔轴运动的原子周期性地调节透射率。
一般来说，传输强度是不稳定的，但偶尔会有周期性的振荡，然后变得随机。 根据对这种行为的解释，光强中的每个峰值都是由于原子与它所经过的每个反节点的强耦合，直到它稳定在遥远的反节点上。
使我们能够测量空腔中原子轨迹的技术也可用于研究发生化学反应或生物过程时单个分子的动力学。
另一个令人兴奋的可能性是扩展在科学和工程的不同领域开发的技术，即监控系统的状态并应用适当的反馈回路来控制状态。 例如，化学反应可以通过适当定制的超短激光脉冲进行相干控制。 这些脉冲在连续的实验中进行了优化，但始终应用于以相同方式制备的分子系统。
然而，新一代的原子腔实验使我们能够重复研究应用于同一系统的反馈回路，而不必为每个实验准备处于相同初始状态的系统。 此外，这个反馈实验还为我们提供了一个令人兴奋的可能性，即：根据量子力学定律，可以精确控制原子在腔中的运动
反馈实验也可以将腔中的原子冷却到低温。 通过对原子施加校正力——一种“随机冷却”技术的变体，用于冷却储存在高能加速器中的粒子，我们可能能够将原子冷却到原子运动的量子力学特性变得重要的区域。
在这个阶段，原子不能再被看作是沿着经典轨迹运动的点状粒子。 相反，它必须被看作是一个可以在太空中连续观察的波包。 根据海森堡的不确定性原理，每当我们找到一个原子时，波包的动量就会发生变化。 这种量子极限的测量将是未来实验的一个挑战。
当腔中同时存在两个或多个原子时，会出现另一种有趣的情况。 在这种情况下，一个原子发射的光子被储存在空腔中，被另一个原子吸收，然后重新发射到空腔中，被第一个（甚至第三个）原子重新吸收。 因此，原子不是相互独立的。 相反，空腔中的公共场在原子之间建立了长程相互作用，因此可以预期多个原子的运动会产生协同效应。 例如，当一个原子从一个反节点移动到一个节点时，如果腔中的场被打开，那么它就会影响其他原子的运动。
一个或多个单个原子处于静止状态并与电磁场的单一模式强耦合的系统是测试量子计算和量子信息处理中基本概念的理想选择。
事实上，现在在奥克兰大学的斯科特·帕金斯（Scott Parkins）以及科罗拉多州博尔德的JILA实验室和加州理工学院的合作者于2024年首次提出该系统作为高效的量子接口。 利用原子与单光子的强耦合，应该可以将原子介质中的静止量子比特映射到传播光场，反之亦然。 换句话说，该方案可以将量子信息从一个地方发送到另一个地方。
此外，腔中的两个原子可以实现“受控非门”——量子计算机的基本组成部分。
单个原子和光学光子的腔QED实验必将在未来许多年内提供丰富的物理数据，并可能在未来在物理和生命科学领域引发大量应用。
正因为如此，量子力学在未来的许多年里必将有一个光明的未来。