鍶88（88Sr）作為一種中性原子，在量子計(jì)算領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。它屬于堿土金屬元素，具有特殊的能級(jí)結(jié)構(gòu)，這使得它在量子計(jì)算和量子模擬中非常有用。鍶原子可以從亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)到里德堡態(tài)，這一過(guò)程中存在合適波長(zhǎng)的光鑷可以同時(shí)捕捉亞穩(wěn)態(tài)和里德堡態(tài)原子，有效抑制激發(fā)過(guò)程中多普勒效應(yīng)引起的退相干，有望大幅提高多量子比特操控保真度。
近期，香港科技大學(xué)相關(guān)課題實(shí)驗(yàn)組采用鑫圖Aries 16和進(jìn)口sCMOS相機(jī)對(duì)鍶88原子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。如圖1所示，研究人員使用Aries 16相機(jī)對(duì)鍶原子461nm波段的信號(hào)獲得了高信噪比的圖像。
圖1 Aries 16 鍶原子461nm的成像效果
鍶原子光晶格鐘的核心部件通常包括：冷原子光晶格量子參考體系、超穩(wěn)本地振蕩器和飛秒光學(xué)頻率梳等。其中，量子參考體系使用光晶格來(lái)捕捉原子，通過(guò)高靈敏度探測(cè)器對(duì)這些原子躍遷產(chǎn)生的熒光進(jìn)行探測(cè)并實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量，從而研究原子之間的相互作用，或者獲得原子數(shù)與熒光信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于光晶格中的原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)類似于熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)探測(cè)器靈敏度要求很高，才能確保足夠的時(shí)間分辨率。
當(dāng)鍶原子的格點(diǎn)距離為9 μm時(shí)，研究人員對(duì)比了Aries 16與進(jìn)口sCMOS相機(jī)(bin2)的成像結(jié)果。如圖2所示，Aries 16在曝光時(shí)間為70ms時(shí)的信噪比水平相當(dāng)于sCMOS相機(jī)（bin2）在100ms曝光時(shí)的水平。這表明Aries 16的靈敏度優(yōu)于sCMOS相機(jī)，在弱光成像領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。
圖2為Aries16與進(jìn)口sCMOS相機(jī)的數(shù)據(jù)對(duì)比，格點(diǎn)距離為9 μm。圖A為Aries16相機(jī)70ms原始圖像；圖B為sCMOS相機(jī)(bin2)100ms原始圖像，圖C和圖D為格點(diǎn)上熒光點(diǎn)信號(hào)（每幀選取18個(gè)點(diǎn)位置）多幀數(shù)據(jù)的直方圖統(tǒng)計(jì)。兩峰分別代表兩種不同強(qiáng)度的原子狀態(tài)，兩峰之間的分離度可以用于估算信噪比。
Aries 16 創(chuàng)新性地利用鑫圖先進(jìn)降噪技術(shù)和大像元芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，大大提升了相機(jī)的弱光探測(cè)能力，為用戶提供了EMCCD國(guó)產(chǎn)替代的可行性解決方案；與進(jìn)口6.5μm sCMOS相機(jī)相比，無(wú)需binning即可獲得更高的光子收集能力，在冷原子弱光探測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
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