据《自然·通讯》杂志29日报道，日本自然科学研究机构分子科学研究所研究团队开发出一种名为“原子相机”的新型显微技术。他们利用单个超冷原子作为“探针”，在纳米尺度上对光场进行成像。该技术不仅能测量光强分布，还首次将光的偏振结构直接可视化，空间分辨率达到100纳米以下，突破了传统光学显微镜的衍射极限。该技术有望应用于量子计算及其他新兴量子技术领域。
原子相机的概念图。单个超冷铷（Rb）原子被捕获在光镊中，通过空间扫描，将光的强度和偏振分布呈现为可视化图案。图片来源：富田贵文/日本自然科学研究机构分子科学研究所
在量子技术中，对具有精细结构的光场进行精确控制至关重要。激光光束常被用于操控物质的量子态，例如在中性原子量子计算机中，由激光形成的微小光点阵列和光晶格结构在操控量子比特中起着核心作用。但在研究其中很多基础问题时，却长期难以直接观测。因为这些光场往往存在于真空腔等封闭环境中，探测器难以直接进入；而通过透镜远距离观测，又容易因像差导致图像失真。
此次，研究团队将单个铷原子捕获在光镊中，并利用激光冷却技术将其降至接近绝对零度，使原子的热运动降到极低水平。随后，研究人员以纳米级精度移动原子位置，让它在空间中逐点“感受”光场的变化。
当原子处于不同位置时，其内部自旋态的能量会随着局部光场强度和偏振状态发生变化。研究人员通过测量这种能量位移，进而重建出光场的空间分布图像。换言之，这个原子就像一个“逐点走过光场的量子传感器”，把原本不可见的光信息转化为可测量的数据。
此外，该方法还首次实现了对光偏振结构的直接成像。团队发现，一束原本简单的线性偏振激光，在经过强烈聚焦后，会在焦点附近形成复杂的偏振结构，而这些过去难以直接观测的微观变化，如今能够被“原子相机”清晰记录。
这项技术为纳米尺度光场提供了一种全新的测量手段，有望广泛应用于量子技术领域。特别是在中性原子量子计算机与量子模拟器中，它可以用于精确表征和调控量子比特的激光场，因为量子比特不仅对光强敏感，也对偏振状态高度敏感。
