14、量子光学中的实验与原子钟技术

量子光学中的实验与原子钟技术

1. 腔量子电动力学（CQED）实验示例

在腔量子电动力学实验中，我们可以观察到一些有趣的量子现象。首先，通过一系列的推导，我们得到了复兴时间 (t_R) 与平均光子数 (\langle n\rangle) 的关系。从公式 (\Omega_{\langle n\rangle + 1}t_R - \Omega_{\langle n\rangle}t_R = 2\pi) 开始，经过一系列变换，如使用二项式展开，最终得到 (t_R = \frac{2\pi\sqrt{\langle n\rangle}}{g})，这表明复兴时间与平均光子数相关。

一个典型的腔量子电动力学实验装置如下：
- 烤箱（O）产生铷原子束。
- 铷原子被制备成里德堡态（B）。
- 里德堡原子进入由微波发生器（S）产生相干腔模的腔（C）。
- 在腔中，里德堡原子在两个主量子数（(n = 50) 和 (n = 51)）之间进行拉比振荡。
- 原子离开腔后，其状态被检测（D）。检测机制利用电场将激发态（(n = 51)）的电子从原子上剥离，然后用通道电子倍增器进行检测。如果原子处于基态（(n = 50)），电场不足以使原子电离，通过电荷检测可以确定原子的状态。

由于原子的麦克斯韦速度分布，实验会重复进行不同的腔中传播时间。传播时间根据原子状态制备和检测之间的时间差确定，从而可以得到基态和激发态布居概率随时间的变化，并绘制图表以观察拉比振荡。

实验结果如图所示，图中展示了不同情况下的拉比振荡：
- 图（A）显示了真空场（(\langle n\rangle = 0.06)，由于小的热场）下的真空拉比振荡，频率 (\