山西大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了單個(gè)中性原子操控以及光頻區(qū)強(qiáng)耦合腔QED方面的實(shí)驗(yàn)研究工作。該團(tuán)隊(duì)克服了一系列技術(shù)困難，通過(guò)大視場(chǎng)高分辨的顯微物鏡及其光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)，建立了可擴(kuò)展的單原子量子操控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了單原子內(nèi)態(tài)的量子操控[Gang Li, et al,  Phys. Rev.Lett. 123, 253602 (2019)]；通過(guò)構(gòu)建光學(xué)微腔系統(tǒng)，獲得了單個(gè)原子與光學(xué)腔的強(qiáng)耦合[Pengfei Yang, et al,  Phys. Rev. Lett.  123, 233604 (2019)]。最近，研究團(tuán)隊(duì)將單原子陣列與光學(xué)微腔操控結(jié)合起來(lái)，克服了一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)，首次實(shí)現(xiàn)了一維單原子陣列與高精細(xì)度微腔之間的強(qiáng)耦合，在單原子水平上觀測(cè)到確定性多原子與真空作用導(dǎo)致的真空拉比分裂。

圖2. 確定性多原子與光學(xué)微腔強(qiáng)耦合的觀測(cè)。（a）原子數(shù)從1到8的真空拉比分裂光譜；（b）光與原子相互作用集體增強(qiáng)效應(yīng)與原子數(shù)的關(guān)系驗(yàn)證。

該團(tuán)隊(duì)建立了1×11的一維光鑷陣列，通過(guò)原子冷卻，獲得了單原子陣列。將此單原子陣列置于高精度的光學(xué)微腔中，通過(guò)在光學(xué)腔中精確控制原子陣列的位置和間距，實(shí)現(xiàn)了原子陣列與光學(xué)腔的強(qiáng)耦合（圖1），在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到原子數(shù)從1到8的真空拉比分裂，從而在單原子水平上確定性地驗(yàn)證了由量子光學(xué)家Girish S Agarwal預(yù)言的光與原子相互作用過(guò)程中著名的根號(hào)N關(guān)系（N為原子個(gè)數(shù)，圖2）[Girish S Agarwal,Phys. Rev. Lett. 53, 1732 (1984)]。確定性多原子與光學(xué)腔強(qiáng)耦合的實(shí)現(xiàn)，為研究強(qiáng)耦合多體相互作用、Tavis-Cummings模型下的多原子多光子動(dòng)力學(xué)行為、基于多原子量子比特的量子網(wǎng)絡(luò)以及由光子誘導(dǎo)的相互作用下的多體物理等奠定了基礎(chǔ)。

該工作由張?zhí)觳沤淌诤屠顒偨淌趲ьI(lǐng)的腔量子電動(dòng)力學(xué)研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成，論文的通訊作者為李剛教授、張鵬飛教授和張?zhí)觳沤淌冢�博士生劉巖鑫和博士后王志輝為論文的第一作者。該研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、山西省“1331”工程重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金、量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山西大學(xué)）以及省部共建極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（山西大學(xué)）的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.173601