可同时观测单个原子的“空腔阵列”显微镜

中性原子阵列和光学腔量子电动力学系统作为现代实验量子科学的核心支柱并行发展。尽管每个平台都展现出卓越的能力——例如原子阵列中的高保真量子逻辑以及光学腔中的强光-物质耦合——但将它们结合有望实现快速且非破坏性的原子测量、构建大规模量子网络以及设计原子-光子混合哈密顿量。然而，到目前为止，整合这两个平台的实验仅限于将整个原子阵列与一个全局腔模进行空间连接，这种配置限制了寻址能力、并行性和可扩展性。在此，我们介绍一种腔阵列显微镜，这是一个实验平台，在包含超过40个模式的二维阵列中，每个单独的原子都与其自身的独立腔强耦合。我们的方法无需纳米光子元件，而是采用带有腔内透镜的自由空间腔几何结构，实现了峰值协同系数大于1，模腰和间距达到微米级，与典型的原子阵列长度尺度相匹配，同时使原子远离介电表面。我们实现了均匀的原子-腔耦合，并在毫秒时间尺度上实现了快速、非破坏性的并行读出，包括通过光纤阵列作为网络应用的原理验证。展望未来，我们开发了该平台的下一代版本，包含超过500个腔，精细度提升近10倍。我们的工作开启了多腔量子电动力学的研究领域，并为原子阵列的大规模量子网络开辟了未探索的前沿。