2026年5月29日——日本分子科学研究所的一个研究团队开发了一种新型光学测量技术，名为“原子相机”，它利用一个接近绝对零度的单个超冷原子作为相机。该技术不仅能可视化光强度分布，还能以低于100纳米的高空间分辨率可视化偏振分布。该方法有望在量子计算及其他新兴量子技术中发挥作用。

自然科学研究机构分子科学研究所的富田隆文助理教授和大森贤治教授领导的研究小组，开发了一种名为“原子相机”的新型显微技术。该技术利用一个被捕获在光镊中、温度接近绝对零度的单个超冷原子作为相机，以纳米（百万分之一毫米）尺度可视化光的强度与偏振分布。

在这项研究中，成功利用单个被光镊捕获的原子作为扫描探针，对光斑的强度与偏振精细结构分布进行成像，其空间分辨率超越了传统光学显微镜的衍射极限。

该研究成果于2026年5月29日在线发表在英国科学期刊《自然·通讯》上。

近年来，量子计算机及其他量子技术在全球范围内迅速发展。在此类量子技术中广泛使用的精细结构光场，其精确控制至关重要。特别是，激光是控制物质量子态的主要工具之一，例如，由激光产生的微观光斑阵列和晶格状光图案，在中性原子量子计算机的运行中扮演着核心角色。

为了正确控制由光学器件产生的此类精细结构激光场，有必要直接观察在真空腔等量子器件内部形成的光图案。然而，将诊断相机放置在真空腔内，又不影响对环境噪声高度敏感的量子比特，是十分困难的。此外，当通过透镜远程观察光时，透镜本身引入的像差很可能会使测量的光图案失真。

研究人员使用一个被捕获在光镊中的单个铷原子作为探针。通过以纳米级（百万分之一毫米）精度空间扫描原子位置，并测量其内部自旋态的能量移动，他们获得了每个原子位置处光场的局部信息。根据测得的原子位置与能量移动的函数关系，成功可视化了光的强度分布。

此外，研究人员关注到自旋依赖的能量移动不仅取决于光强度，还取决于光的偏振。利用这一特性，他们成功直接可视化了偏振分布。作为该偏振成像技术的演示，他们观察了一个被限制在大约1微米（千分之一毫米）宽空间范围内的紧密聚焦激光束中出现的非平凡偏振结构。众所周知，即使是简单的线偏振激光束，在通过透镜后，其焦点附近也会产生圆偏振结构。原子相机直接可视化出了这种非平凡偏振结构。

本方法中使用的探针原子，通过称为激光冷却的方法，被冷却到光镊内部所能达到的最低量子力学运动状态。探针的空间分辨率从根本上由单个原子的量子力学位置涨落决定，在目前的实验条件下，该涨落约为25纳米。研究人员通过实验证明，其空间分辨率低于100纳米，显著超越了传统光学显微镜的衍射极限。

本研究开发的原子相机提供了一种新的测量技术，用于直接观察传统方法难以触及的纳米级光学结构。

能够精确表征微观光场的技术，有望用于新兴的中性原子量子计算机和模拟器，以表征和控制用于操纵原子的激光场结构。特别是，由于原子量子比特的行为不仅取决于激光强度，还取决于激光偏振，因此能够同时测量这两者的能力，使其成为一种强大的诊断工具。