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據(jù)《自然·通訊》雜志29日?qǐng)?bào)道，日本自然科學(xué)研究機(jī)構(gòu)分子科學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種名為“原子相機(jī)”的新型顯微技術(shù)。他們利用單個(gè)超冷原子作為“探針”，在納米尺度上對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行成像。該技術(shù)不僅能測(cè)量光強(qiáng)分布，還首次將光的偏振結(jié)構(gòu)直接可視化，空間分辨率達(dá)到100納米以下，突破了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的衍射極限。該技術(shù)有望應(yīng)用于量子計(jì)算及其他新興量子技術(shù)領(lǐng)域。

在量子技術(shù)中，對(duì)具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)進(jìn)行精確控制至關(guān)重要。激光光束常被用于操控物質(zhì)的量子態(tài)，例如在中性原子量子計(jì)算機(jī)中，由激光形成的微小光點(diǎn)陣列和光晶格結(jié)構(gòu)在操控量子比特中起著核心作用。但在研究其中很多基礎(chǔ)問題時(shí)，卻長(zhǎng)期難以直接觀測(cè)。因?yàn)檫@些光場(chǎng)往往存在于真空腔等封閉環(huán)境中，探測(cè)器難以直接進(jìn)入；而通過透鏡遠(yuǎn)距離觀測(cè)，又容易因像差導(dǎo)致圖像失真。

此次，研究團(tuán)隊(duì)將單個(gè)銣原子捕獲在光鑷中，并利用激光冷卻技術(shù)將其降至接近絕對(duì)零度，使原子的熱運(yùn)動(dòng)降到極低水平。隨后，研究人員以納米級(jí)精度移動(dòng)原子位置，讓它在空間中逐點(diǎn)“感受”光場(chǎng)的變化。

當(dāng)原子處于不同位置時(shí)，其內(nèi)部自旋態(tài)的能量會(huì)隨著局部光場(chǎng)強(qiáng)度和偏振狀態(tài)發(fā)生變化。研究人員通過測(cè)量這種能量位移，進(jìn)而重建出光場(chǎng)的空間分布圖像。換言之，這個(gè)原子就像一個(gè)“逐點(diǎn)走過光場(chǎng)的量子傳感器”，把原本不可見的光信息轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的數(shù)據(jù)。

此外，該方法還首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)光偏振結(jié)構(gòu)的直接成像。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一束原本簡(jiǎn)單的線性偏振激光，在經(jīng)過強(qiáng)烈聚焦后，會(huì)在焦點(diǎn)附近形成復(fù)雜的偏振結(jié)構(gòu)，而這些過去難以直接觀測(cè)的微觀變化，如今能夠被“原子相機(jī)”清晰記錄。

這項(xiàng)技術(shù)為納米尺度光場(chǎng)提供了一種全新的測(cè)量手段，有望廣泛應(yīng)用于量子技術(shù)領(lǐng)域。特別是在中性原子量子計(jì)算機(jī)與量子模擬器中，它可以用于精確表征和調(diào)控量子比特的激光場(chǎng)，因?yàn)榱孔颖忍夭粌H對(duì)光強(qiáng)敏感，也對(duì)偏振狀態(tài)高度敏感。