光学腔QED
原子和光学微腔(Fabry-Pérot Cavity, F-P 腔)强耦合系统。微光学腔由两片相距百微米、反射率高达99.990%和99.999%的“超镜”（super-mirror）组成。单个光子被置于腔内，在“死亡”(被吸收、散射或者逃逸)之前能够来回反射数万到数十万次。由于单个光子被局域的空间非常小，其对应的电场非常强，足以饱和单个原子的跃迁。在此系统中，单个光子在单个原子与腔之间相互交换，交换频率每秒钟可达近千万次。当光子交换速度大于光子和原子的耗散速度时，我们把这样的系统称为强耦合腔量子电动力学（Cavity Quantum Electrodynamics, C-QED）系统。此强耦合系统对原子和光子极度敏感，能感受到平均小于1个的原子和光子的变化。腔量子电动力学中原子和光子的强相互作用能导致一系列新的效应，比如原子自发辐射反转、光子-原子量子纠缠、光场与原子的量子态产生等，从而使腔QED系统成为研究光与物质相互作用的量子效应的基本物理系统。利用原子冷却和操控技术，腔QED作为一个基本的物理系统，已经成为演示各种微型光量子器件、量子信息处理的重要平台，从而引起人们的广泛关注。本实验室已建立了数套原子与光学微腔强耦合相互作用的实验系统。通过光学冷却和操控原子技术，我们已经成功地把中性铯原子冷却到微开量级（-273.14℃左右）并控制在微光学腔内。利用光场操控原子和光学腔的相互作用和单光子探测手段，可以实现对系统量子态的操控和测量，从而开展特定条件下原子的辐射特性以及基于光场与原子强耦合相互作用的量子光学和量子信息方面的研究。
基于纳米光纤的量子光学研究
纳米光纤(nanofibers)作为一种新型的光子学器件，本身具有局域光场的特性，可以增强光与物质相互作用强度、操控单粒子并能提高辐射光子的收集效率。纳米光纤已经被广泛应用于光子学器件开发、光学传感和量子光学等研究领域。纳米光纤直径最小可至亚波长量级，由于光纤与外界介质的折射率差异，纳米光纤表面会产生光学倏逝场。另外由于光纤直径很小，倏逝场被强烈束缚在纳米光纤表面很小的模体积内，从而倏逝场的电场强度获得极大增强。因此，纳米光纤可以极大增强倏逝场与各类物质的相互作用，诸如原子、色心、量子点、分子、金属、石墨烯等。本实验室建立了基于纳米光纤的制备和与原子相互作用的操控与测量系统。通过一台自制的熔融拉伸装置将普通光纤熔融拉伸获得纳米光纤，其直径可以拉制到几百纳米的亚波长量级，能够实现增强的倏逝场与物质（原子和量子点等）的相互作用。我们也在实验上建立了纳米光纤和冷原子相结合的混合光子学系统，此系统有望成为进行精密测量、量子信息研究的新型平台，在相关基础物理和应用器件研究中发挥重要作用。
单原子操控
可扩展的中性单原子系统是实现量子计算的基本平台之一。相比其他物理系统，光学偶极俘获的单个中性原子系统具有良好的相干性和可扩展性，容易获得大规模的局域量子比特。近年来，多种可扩展的光学俘获的单原子阵列已有演示，同时高保真的单比特和双比特量子逻辑门的实现，使基于中性原子的量子计算和量子模拟展现了极大的应用前景。我们聚焦于可扩展的单个中性原子系统，利用大数值孔径、长焦距显微透镜系统，可以获得微米尺度的红失谐或者蓝失谐偶极阱，同时实现单原子的装载与操控。利用偶极阱中的单个原子编码量子比特，能够实现单个量子比特高效的初始化、单量子比特门和量子比特的高效读取。单原子系统可以通过多种方式进行扩展，获得用于量子计算的多量子比特系统。扩展的原子阵列系统能够与光学FP腔结合，实现可扩展的量子计算节点，从而开展多比特量子信息的研究。
量子计量研究
量子计量是指利用各种量子资源，对某些物理量实现突破标准量子极限的测量。各种量子资源已经在实验上产生出来，寻求这些量子资源的应用是目前量子科学与技术面临的一个重要课题。压缩态光源作为一种典型的量子资源，已经成功地应用到LIGO的引力波探测中，用于实现微小空间尺度变化的超高精度测量。同样，微小磁场的精密测量在矿产勘探、地质检测、生物医学、航天航空等方面具有广泛的应用。随着人们对光场及原子性质的了解不断深入，以测量光与原子相互作用中自旋变化为基本原理的磁场精密测量不断发展。目前原子磁力仪的灵敏度可达到fT/sqrt(Hz)乃至0.1fT/sqrt(Hz)量级，且可以实现对近零磁场、非零磁场以及地磁、标量与矢量磁场的测量，具有广阔的应用前景，但是这些测量都受到原子以及探测光场的量子噪声的制约。利用光场压缩态或者原子自旋压缩态，可以突破原子磁力仪的探测中量子噪声的制约，进一步提高探测灵敏度。我们在实验上建立了基于热原子的磁力仪系统，同时制备了原子波段的低频压缩态光场，结合二者可以探索量子光源在精密测量中的应用。