通过原子光学晶格进行量子仿真

图1：使用Kinetix22 sCMOS拍摄的铯超冷原子在光晶格中的荧光图像

背景

亚历山大·因佩尔特罗和朱利安·维南德是慕尼黑大学莫妮卡·艾德尔斯堡格教授和伊曼纽尔·布洛赫教授研究组的博士研究生，从事超冷原子模拟量子实验。

他们介绍了其工作的核心概念："通过将极冷原子囚禁在由激光干涉产生的光晶格中，可以模拟真实固体中电子的行为。原子在此扮演电子角色，而激光产生的势能景观则模拟离子晶格。这种模拟的优势在于，原子可被精准操控——模拟器的典型长度尺度比真实固体大数千倍。"

"该量子模拟器具有高度可调性。通过改变晶格深度、外加磁场强度，可调整晶格维度、原子隧穿强度或相互作用大小，从而模拟特定系统和现象。"

量子光学组需要一套成像系统来检测晶格中原子占据的位点。为此，可先增强晶格强度"冻结"原子，再使用近共振激光激发原子。被激发的原子会发出荧光，通过相机检测这些散射光子即可实现成像。

挑战

因佩尔特罗和维南德先生描述了实验面临的困难："用激光激发原子会导致其升温并移动，因此原子仅能维持约100毫秒至1秒的荧光，之后就会隧穿到晶格其他位点。在此期间，我们需要获取显示单原子占据位点的图像。为获得高信噪比，相机需兼具高量子效率、低电子噪声和高帧率。"

"信噪比越高，获取相同图像质量所需的成像时间越短，因此相机的低噪声特性至关重要。为精确评估成像技术质量，通常需要对同一原子云进行多次成像——每次曝光100毫秒，间隔短暂延迟，累计拍摄10次以上。"

另一挑战是检测波长处于近红外(NIR)光谱区(852纳米)，这要求相机具备宽光谱量子效率范围和良好的NIR灵敏度。此外，小像素尺寸可降低光学系统复杂度，而大尺寸传感器能更轻松地捕捉原子云信号，简化实验校准流程。

Kinetix22相机凭借卓越的信噪比、小像素和大芯片尺寸，为我们的研究带来显著改进。"——亚历山大·因佩尔特罗

解决方案

Kinetix22 sCMOS相机凭借其22mm大尺寸传感器、快速读出速度、小像素尺寸及亚电子级读出噪声，成为量子实验的理想选择。

因佩尔特罗和维南德分享了使用体验："此前相机的读出时间长达800毫秒，而Kinetix22可连续测量同一原子云，效率显著提升。其亚电子模式信噪比优异，未来实验将采用此模式。此外，6.5μm小像素让我们无需高倍率(从100x降至40-60x)，大幅缩短光路。22mm芯片尺寸也远超旧设备，更易定位原子，USB即插即用设计更是锦上添花。"