中文摘要：

以微型光阱中的单原子及单原子阵列为体系，进行量子信息处理和受控的少体相互作用研究是当前的研究热点。能够将微型光阱中的单原子的内态和质心运动态耦合起来进行量子操控是进行该项研究的前提。要实现对单原子的内态和运动态的耦合需要将单原子冷却到质心运动基态。而目前国际上尚未有将微型光阱中的单原子冷却到质心运动的基态上的报道。这是由于一般的微型光阱不能为原子提供足够高的谐振频率，因而不能很好地满足质心运动基态冷却所需的Lamb-Dicke条件。本项目拟在运用蓝失谐Laguerre-Gaussian偶极势大幅度提高囚禁于红失谐微型光阱中的单个原子的谐振频率，使得原子满足Lamb-Dicke条件的工作基础上，对单原子进行"拉曼边带冷却"，将单原子的质心运动从热分布态冷却到基态上，进而实现原子质心运动量子态的制备和操控。这将为实现内外自由度的耦合和调控原子间的相互作用而创造条件。

结论摘要：

囚禁在微型光阱中的单个中性原子已经为在量子信息和量子光学中诸多应用，例如里德堡量子逻辑们、原子与光的耦合等应用提供了一个平台。更进一步的，处于势阱中基态的单原子可能为合成单个偶极分子或者是量子模拟提供新的可能性。基于此重要性，将单原子的质心运动态冷却到基态是当前的研究热点，国际竞争激烈。通过本项目的实施，我们初步实现了对单原子温度的大幅降低，获得了700nK的单原子平台，实现了对单原子量子比特的完全操控，对单原子量子比特物理进行了详细的实验研究和理论分析，获得了一系列的研究成果，初步掌握了对单原子外态和内态的自由度的操控技术和理论基础，基本完成了本项目的科学目标。