介紹

線性Paul阱中的激光冷卻離子是一種具有顯著性質(zhì)的量子系統(tǒng)。捕獲的離子提供了前所未有的制備和參數(shù)控制，可以冷卻到基態(tài)，并可以耦合到工程儲層。由于這些原因，它們在量子計算和信息處理應(yīng)用的實驗研究中發(fā)揮了突出作用。它們也是研究量子熱力學(xué)的寶貴工具。

如今，許多領(lǐng)域的研究人員使用捕獲的離子進行實驗，從而能夠研究量子現(xiàn)象。使用捕獲離子的應(yīng)用列表正在迅速增長，這類工作可能是量子計算、量子密碼學(xué)和基于光的電信等不同領(lǐng)域取得重大進展的關(guān)鍵。本申請說明將重點介紹德國兩所大學(xué)(美因茨、奧格斯堡)的科學(xué)家聯(lián)合進行的研究。這組科學(xué)家最近提出了一個用單個離子實現(xiàn)納米熱機的實驗方案。

量子熱機

上述科學(xué)家小組試圖解決的根本問題是，是否可以在保持相同工作原理的同時，將熱能轉(zhuǎn)化為機械功的汽車等常用的大型熱機縮小到單粒子水平?？茖W(xué)家們分析了一種使用單一激光冷卻離子作為工作氣體的納米熱機實驗方案。

在美因茨大學(xué)量子物理研究所進行的實驗中，該團隊實現(xiàn)了奧托循環(huán)，這是四沖程汽車發(fā)動機的基礎(chǔ)，通過將冷離子限制在具有錐形幾何形狀的線性保羅阱中(見圖1)，并將其耦合到一對工程儲液器中。

圖1。左圖：單離子熱機的線性Paul阱。它的錐形幾何形狀允許徑向狀態(tài)與軸向振蕩耦合。2右圖：實驗裝置顯示了真空室中的Paul阱。照片由Ferdinand Schmidt-Kaler教授、Kilian Singer博士、Johannes Rossnagel和Georg Jacob(美因茨大學(xué)量子物理研究所)提供

兩個熱浴交替地加熱和冷卻離子的徑向熱狀態(tài)。徑向溫度的變化轉(zhuǎn)化為軸向運動，從而轉(zhuǎn)化為可用功。通過以100kHz的軸向本征頻率諧振地重復(fù)該循環(huán)，沿陷阱軸積累了大的相干振幅。圖2中給出了一個經(jīng)典的模擬。

圖2:經(jīng)典的活塞/飛輪模擬。2由Ferdinand Schmidt-Kaler教授、Kilian博士提供的示意圖

歌手Johannes Rossnagel和Georg Jacob(美因茨大學(xué)量子物理研究所)。

德國科學(xué)家通過分析確定了單離子熱機在不同狀態(tài)下最大功率下的量子效率。他們還對發(fā)動機進行了蒙特卡洛模擬，不僅證明了其可行性，而且證明了其在現(xiàn)實條件下以30%的最大效率運行的能力。

盡管已經(jīng)使用各種類型的系統(tǒng)建造了微型熱機，但從未建造過量子熱機。然而，在他們的數(shù)值模擬和分析的鼓舞下，德國的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)制造出了一個單原子發(fā)動機。

實驗成像

在他們的實驗中，一個鈣離子被捕獲在一個特殊的Paul阱的電磁場中，并通過激光冷卻到1 mK的溫度。為了在熱機循環(huán)中驅(qū)動離子，科學(xué)家們通過施加電噪聲和激光冷卻交替加熱和冷卻離子。

單離子熱機實驗演示的優(yōu)值是作為熱浴溫度函數(shù)產(chǎn)生的功。由于產(chǎn)生的功以100kHz的振蕩形式直接轉(zhuǎn)化為運動，因此對后者的精確觀測至關(guān)重要。

為了觀察離子在100kHz下的振蕩，科學(xué)家們使用了emICCD相機。曝光時間僅為0.5微秒，超高靈敏度成像系統(tǒng)就可以在空間和時間上精確地分辨離子運動(見圖3)。

正是emICCD相機的快速門控能力使科學(xué)家們能夠展示單離子熱機的功能和性能。這將導(dǎo)致對單個粒子熱力學(xué)的進一步理解。

圖3。用Teledyne Princeton Instruments emICCD相機拍攝的單個離子的視頻截圖。由Ferdinand Schmidt-Kaler教授、Kilian Singer博士、Johannes Rossnagel和Georg Jacob(美因茨大學(xué)量子物理研究所)提供

應(yīng)用技術(shù)

PI-MAX4:1024EMB emICCD相機(見圖4)無縫結(jié)合了圖像增強器的快速門控能力和背光、幀傳輸、1024 x 1024 EMCCD檢測器的出色線性，為在納秒和皮秒時間尺度上執(zhí)行的應(yīng)用提供了定量、超高靈敏度的性能。

圖4。普林斯頓儀器公司的PI-MAX4:1024EMB為用戶提供了增強CCD(ICCD)相機和電子倍增CCD(EMCCD)相機的優(yōu)勢。

這種纖維光學(xué)結(jié)合的普林斯頓儀器PI-MAX?4相機系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)快速門增強器提供<500 psec的門寬度，同時保持量子效率。其集成的SuperSynchro定時發(fā)生器允許相機用戶在GUI軟件控制下設(shè)置門脈沖寬度和延遲，并顯著降低了固有的插入延遲(~27nsec)。

使用普林斯頓儀器公司最新版本的LightField?數(shù)據(jù)采集軟件(可選)，可以簡單地完全控制所有PI-MAX4:1024EMB硬件功能。通過極其直觀的LightField用戶界面提供了精密增強器門控控制和門延遲，以及一系列易于捕獲和導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)的新穎功能。

PI-MAX4:1024EMB使用高帶寬(125 MB/秒或1000 Mbps)GigE數(shù)據(jù)接口為相機用戶提供實時圖像傳輸。該接口支持50米以外的遠程操作。

或者，不需要門控的研究可以受益于先進的高速EMCCD技術(shù)，例如普林斯頓儀器公司的ProEM HS相機(見圖5)。ProEM?“HS”系列提供了一種特殊的動力學(xué)讀出模式，通過照亮傳感器的一小部分，然后在微秒內(nèi)捕獲和移動一系列子幀，提高了時間分辨率。這些高靈敏度、背照式EMCCD相機設(shè)計用于跟上最新的高重復(fù)率激光器。

圖5。普林斯頓儀器公司的ProEM HS相機提供背光、電子倍增CCD的高靈敏度和特殊動力學(xué)讀出模式的速度。

未來趨勢

隨著無數(shù)的技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)不可阻擋向單個量子粒子的極限邁進，實驗研究將變得更加具有挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性。因此，下一代科學(xué)相機必須能夠提供此類研究所需的卓越靈敏度和速度。本文提到的PI-MAX4:1024EMB和ProEM HS相機代表了利用捕獲離子進行研究的高性能定量成像能力的前沿。

審核編輯 黃宇