如今，在照片中看到個別原子已相當可行。這是影像技術的一大成就。那麼，反過來呢？能否用單一原子來捕捉影像？

單一原子大概不會很快取代智慧型手機的相機，但原子可用來測量光。日本岡崎分子科學研究所的一個研究團隊已利用這項特性，開發出他們所稱的「原子相機」，能捕捉標準光學顯微鏡無法看見的微小光圖案。

除了物理演示之外，原子相機還可能成為觀察某些量子電腦內部的優雅方法。原子相機的開發者同時也在打造以中性原子作為量子位元的量子電腦。

「我們期待原子相機能成為我們實驗室以及全球其他類似研究的寶貴診斷工具，」分子科學研究所物理學家大森賢治（Kenji Ohmori）表示。

大森與同事於5月29日在《Nature Communications》發表研究。

量子攝影師指南

原子相機的核心元件是光學鑷子，這是一種利用聚焦雷射束夾持粒子的儀器，已成為物理學家操作原子的常用工具。光學鑷子可捕捉原子、移動或固定其位置。研究人員將銣-87原子冷卻至接近絕對零度，並固定在光學鑷子內。原子相機本質上是測量此原子對其環境的反應。當光照射原子時，會將能量傳遞給原子中的部分電子，改變這些電子的能階。

透過觀察這些能階變化，研究人員可測量光的強度或其偏振。他們可以測量光學鑷子光的這些特性，或測量照射在原子上的第二種光圖案。

這些圖案遠大於單一原子，那麼如何將測量結果轉換為完整影像呢？由於原子必須保持靜止，因此必須移動圖案本身穿越原子。研究人員每次將圖案拖曳100奈米——向上、向下或側向移動——並在每一步測量光的強度或偏振。

最終，他們獲得了二維測量圖，可轉換為奈米級的「照片」。他們已利用此方法拍攝多種不同圖案。

岡崎研究人員並非首位利用原子測量光的人。自1990年代以來，物理學家便嘗試利用原子突破可見光的繞射極限：一般光學可觀察的最小特徵。由於原子遠小於此極限，適當設置的原子理論上可解析更微小的細節。

隨著冷原子物理日益成熟，更多實驗室已嘗試利用光學鑷子讓原子發揮功能。2022年，巴塞隆納光子科學研究所和加州大學柏克萊分校的兩個團隊，分別利用銣-87原子捕捉入射光的強度。柏克萊團隊達到300奈米的解析度，但認為這只是初步成果。

「我們認為這方法可以變得更靈敏，」參與上述研究但未參與岡崎團隊的物理學家Dan Stamper-Kurn表示。

柏克萊團隊先前的研究探討相對較大的能階變化。而岡崎團隊則測量與物理學家所稱超精細躍遷相關的更細微變化。這帶來多項優勢。首先，岡崎團隊除了強度外，還能測量光的偏振。其次，超精細躍遷靈敏度更高：理論上，岡崎團隊可解析小至25奈米的特徵。（小於此尺寸時，量子不確定性將產生影響。）

原子位置越精準，解析度就越好。這也是原子必須盡可能保持靜止的原因。

呼喚攝影師的量子位元

「原子相機」能捕捉什麼？物理學家表示，實際上相當多。

「這具有高度相關性，因為這些所謂的光學鑷子正是我們現今在許多實驗中使用的工具，」慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學物理學家Johannes Zeiher表示，他也未參與岡崎團隊。

光學鑷子在中性原子量子電腦領域特別受重視，而岡崎團隊正在開發這類系統。這些量子電腦使用銣-87等原子，在真空腔室中冷卻至接近絕對零度。光學鑷子可捕捉作為量子位元的原子，並固定或移動它們。利用兩個中性原子進行運算可能涉及精確定位原子，並發射雷射照射兩者。

這種光束幾乎從不均勻。即使是微小的光束，也可能包含各種細微變化，尤其是偏振的異常，這些變化可能干擾量子位元，導致其失去相干性而崩潰。因此，量子位元操作者必須了解其光源的最細微細節，但物理學家至今仍在尋找可靠的方法來達成此目標。

傳統光學通常不適合觀察量子電腦的真空腔室，因為它們也容易干擾量子位元。隨著中性原子量子電腦的量子位元數量增加且控制變得更加複雜，這項挑戰變得更加繁瑣。

物理學家表示，他們的發明能以微小尺度同時映射強度和偏振，是一種誘人的替代方案。

「與其從真空腔室外部帶入相機，何不利用我們量子遊樂場內部已有的工具？」分子科學研究所物理學家，也是論文共同作者的富田隆文（Takafumi Tomita）表示。