據(jù)《自然·通訊》雜志29日報道，日本自然科學(xué)研究機構(gòu)分子科學(xué)研究所研究團隊開發(fā)出一種名為“原子相機”的新型顯微技術(shù)。他們利用單個超冷原子作為“探針”，在納米尺度上對光場進(jìn)行成像。該技術(shù)不僅能測量光強分布，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)用于量子計算及其他新興量子技術(shù)領(lǐng)域。

在量子技術(shù)中，對具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的光場進(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算機中，由激光形成的微小光點陣列和光晶格結(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，卻長期難以直接觀測。因為這些光場往往存在于真空腔等封閉環(huán)境中，探測器難以直接進(jìn)入；而通過透鏡遠(yuǎn)距離觀測，又容易因像差導(dǎo)致圖像失真。

此次，研究團隊將單個銣原子捕獲在光鑷中，并利用激光冷卻技術(shù)將其降至接近絕對零度，使原子的熱運動降到極低水平。隨后，研究人員以納米級精度移動原子位置，讓它在空間中逐點“感受”光場的變化。

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

此外，該方法還首次實現(xiàn)了對光偏振結(jié)構(gòu)的直接成像。團隊發(fā)現(xiàn)，一束原本簡單的線性偏振激光，在經(jīng)過強烈聚焦后，會在焦點附近形成復(fù)雜的偏振結(jié)構(gòu)，而這些過去難以直接觀測的微觀變化，如今能夠被“原子相機”清晰記錄。

這項技術(shù)為納米尺度光場提供了一種全新的測量手段，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算機與量子模擬器中，它可以用于精確表征和調(diào)控量子比特的激光場，因為量子比特不僅對光強敏感，也對偏振狀態(tài)高度敏感。

（原標(biāo)題為《“原子相機”讓光場成像分辨率突破衍射極限》）