光晶格中超快单原子成像技术突破：2.4微秒实现99.4%保真度检测

哈佛大学团队通过交替脉冲成像光束和双模压缩晶格技术，解决了中性原子量子平台成像速度慢（毫秒级）的瓶颈问题，首次在2.4微秒内实现单原子99.4%保真度成像，接近超导量子比特平台的检测速度。该技术突破为研究扩展Bose-Hubbard模型、SU(N)费米-哈伯德模型等强关联体系提供了新工具。

　　

在量子模拟和计算领域，光学晶格和光镊阵列已成为研究强关联物质的核心平台。然而，传统荧光成像技术存在两大瓶颈：成像速度慢（毫秒至秒级）限制了实验循环效率，而衍射极限分辨率阻碍了波长尺度晶格间距的精确观测。更棘手的是，现有成像会导致"宇称投影"现象——多原子位点因光助碰撞仅能显示0或1个原子，无法直接计数。这些限制严重制约了扩展Bose-Hubbard模型、多带费米-哈伯德模型等前沿课题的研究进展。

哈佛大学（Harvard University）的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，通过三项关键技术突破这些限制：首先采用压缩晶格（accordion lattice）将原子间距从266 nm动态扩展至微米级，突破衍射极限；其次开发交替脉冲成像方案，通过量子行走模拟揭示连续光束会导致动量扩散，而交替照射可将原子动量限制在±?k范围内；最后引入电子倍增CCD（EM CCD）二值化处理，仅需15个光子即可实现单原子识别。

主要技术方法包括：1）利用高数值孔径物镜构建可调间距压缩晶格；2）基于401 nm宽跃迁（30 MHz线宽）设计双光束交替照明系统；3）采用时间飞行法测量动量分布；4）开发蒙特卡洛模拟追踪原子随机行走轨迹；5）通过二值化算法抑制EM CCD噪声。

实验结果

连续光束的量子行走效应

通过SSH（Su-Schrieffer-Heeger）模型模拟发现，连续光束会导致原子在动量空间发生量子行走，在自发辐射前扩散至数十个?k态。实验显示当光束强度达20I_sat（I_sat=56 mW/cm²）时，连续照射组的动量展宽比交替照射组高3倍（图2b）。

2.4微秒超快成像

二值化处理使15光子（2.4 μs采集）的成像保真度从97.7%提升至99.4%（图4c）。暗态分支比测量显示Er原子跃迁至亚稳态的概率<5×10^-5（图4e），这是保真度的主要限制因素。

无宇称投影成像

在4.5 μm晶格间距下，首次实现直接原子计数（图5b）。对Mott绝缘体的观测显示位点占据数呈亚泊松分布（图5c），验证了强关联体系的量子特性。

这项研究将中性原子成像速度推进至微秒量级，媲美超导量子比特平台。压缩晶格与交替照射方案的结合，为研究偶极量子固体、拓扑Haldane绝缘体等新物态提供了关键技术支撑。尤其值得注意的是，无宇称投影成像将简化多原子位点纠缠熵测量等复杂实验流程。未来通过引入qCMOS相机和机器学习算法，该技术有望实现>99%的多原子分辨保真度，为量子模拟和计算开辟更广阔的研究维度。