受控单个中性原子，特别是激光冷却、囚禁和操控碱金属原子的内态，是构建原子阵列并演示量子模拟、量子信息处理及量子计算等的重要系统。原子基态相干性的提高对推进上述研究具有重要的意义。目前单原子量子操控和应用主要基于其基态两个超精细态(其跃迁处于微波频段)进行的，其相干性受到原子运动所导致的非均匀退相干以及由囚禁光场和外部磁场起伏等引起的均匀退相干因素的影响，相干时间通常被限制在百毫秒以下。针对不同的退相干机制和原子态，人们提出了某些特殊条件下，即所谓“魔术条件”(Magic condition)，原子的退相干会被有效抑制，从而大幅提高相干寿命。要进一步提高原子的相干性，需要寻找某种能够同时抑制多种退相干机制的有效方法，而现有手段尚无法实现这一点。

张天才教授研究团队最近提出了一种全新的“三重魔术条件”(Triply magic conditions)方案并在实验上得到验证。该方案巧妙地利用简并双光子过程产生的光频移补偿单光子过程引起的光频移，在一定条件下，可以实现退相干对囚禁光场频率、强度以及外部磁场均不敏感的“三重魔术条件”，从而大幅提高原子的相干性。该团队在实验上利用波长为1079纳米的激光构建了一个尺度为2.5微米的光镊，成功把通过激光冷却到2微开(-273.149998℃)的单个铯原子俘获长达46秒，并利用该系统验证了“三重魔术条件”的可行性。利用该方法有望将原子的相干时间提高到分钟量级。这一方法也可以推广应用到包括铷原子在内的其他碱金属原子，实现原子退相干的有效抑制。

单个原子量子操控实验示意图

这项研究是继两周前该团队在腔量子电动力学方面取得重要进展后，在单原子量子操控方面的又一突破。相关工作12月20日在线发表在《物理评论快报》上[Triply magic conditions for microwave transition of optically trapped alkali-metal atoms, Phys. Rev. Lett., 123, 253602 (2019)]。

该项工作由山西大学独立完成。论文第一作者为我校光电研究所李刚教授、共同第一作者为博士生田亚莉，通讯作者为张天才教授和李刚教授。合作者包括该研究团队的硕士生毋伟、博士生李少康、硕士生李翔艳、硕士生刘岩鑫和张鹏飞副教授。这项工作得到科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目和面上项目、量子光学与光量子器件国家重点实验室(山西大学)和省部共建极端光学协同创新中心(山西大学)的支持。