sCMOS相机在原子物理前沿实验中的应用进展与ICAP 2026技术观察

　　1、引言

　　2026年6月14日，第29届国际原子物理大会（ICAP 2026）在中国武汉召开。会议围绕超冷原子与量子气体成像、离子阱与冷分子捕获、精密原子光谱与精密测量、量子模拟与中性原子阵列等核心方向展开研讨。

　　近年来，原子物理研究正在从传统的原子能级结构测量与束流实验，逐步转向以多体量子系统为核心的前沿方向，包括冷原子体系、离子阱量子计算、中性原子阵列以及量子气体显微成像等。这一演进的本质是研究对象进一步强调对单原子尺度与单光子尺度物理信息的直接获取能力。

　　在这一背景下，实验观测手段的性能边界成为限制体系扩展与测量保真的关键因素。sCMOS相机作为当前科学成像体系中的主流探测器之一，因其在量子效率、读出噪声控制以及大视场并行读出能力方面的综合优势，已应用于原子物理实验中多个典型实验平台。作为国内sCMOS相机厂商，千眼狼（Revealer）携Qbit、Gloria系列多款sCMOS相机参展，并向与会学者展示相关典型应用案例。

　　2、原子物理实验对成像系统的关键需求

　　原子物理实验中的科学成像需求具有多尺度耦合特征，关键需求来自三个方面：

　　时间尺度需求：冷原子动力学、离子荧光探测过程中，关键物理过程发生在毫秒时间尺度。要求成像系统具备高帧率采集能力，且在短曝光条件下维持足够信噪比。

　　光子统计需求：冷原子荧光成像与离子阱态读出实验中，信号常处于接近单光子散粒噪声极限。在单光子级信号探测条件下，读出噪声与量子效率共同决定成像系统的有效信噪比。

　　空间分辨率需求：在光学晶格与中性原子阵列系统中，原子间距通常处于微米级或更低尺度，成像系统不仅需要满足衍射极限分辨能力，还需在大阵列条件下保持像素级均匀响应，避免串扰误差在量子比特读出中累积放大。

　　3、sCMOS相机在典型原子物理实验中的技术路径

　　从现有实验体系来看，sCMOS 相机在冷原子、离子阱及中性原子量子计算等典型应用场景中，已形成相对稳定的技术路径：

　　冷原子与玻色-爱因斯坦凝聚体研究：sCMOS相机主要用于荧光成像与时间序列动力学重构。通过对原子云密度分布的连续观测，可解析凝聚态形成过程以及非平衡态弛豫动力学特征，对量子效率与低噪声性能具有较高依赖。

　　离子阱量子系统：离子在特定跃迁条件下产生的弱荧光信号通过高数值孔径光学系统收集后，在像面形成空间分布点扩展函数。通过对像素级信号统计分析，实现量子态判别与误差评估。

　　中性原子阵列与量子气体显微镜：sCMOS相机被用于大规模原子阵列的并行读出。该类系统通常涉及数百至上千个原子位点的同步测量，对相机动态范围、像素一致性以及帧间稳定性提出更高要求。

　　4、典型实验案例分析

　　4.1 冷离子云弛豫过程成像实验

　　在一项针对冷离子云非平衡弛豫过程的成像实验中，实验目标为获取囚禁离子体系在外场驱动下的空间分布与动力学演化过程。由于离子云荧光信号整体处于弱光水平，传统EMCCD在长期稳定性与动态范围方面存在一定限制。为此，实验引入千眼狼（Revealer）Gloria 1605 sCMOS相机，相机具备16 μm大像元尺寸，读出噪声＜1 e⁻，量子效率在532 nm处为90.7 %，模数转换位深16 bit，实验以532 nm激光照亮离子云，相机设置为低噪声模式，并通过色阶调节对比度以增强弱信号可视化。

　　Gloria 1605清晰捕获了冷离子云的形态、尺寸及内部不均匀分布特征。得益于亚电子级读出噪声，离子云内部弱信号结构得以保持较高信噪比，避免传统EMCCD因乘性噪声引入而导致的细节丢失。时间序列图像完整记录了冷离子云从非平衡态向稳态弛豫过程，图像序列可用于量化局部动力学涨落，并与ETH理论预测进行对比。同时，Gloria1605的高动态范围特性同时支持离子云亮核与稀薄边缘区域的同步呈现。

图-使用千眼狼（Revealer）Gloria 1605 sCMOS相机拍摄冷离子云形态、尺度及内部分布特征

　　4.2 原子阵列单量子比特读取实验

　　在中性原子量子计算体系中，单量子比特读取是影响整体量子逻辑保真度与可扩展性的关键环节。其本质在有限光子采集窗口内，对单个原子量子态所对应的荧光统计分布进行高置信度判别。

　　单原子阵列体系中，原子通常被囚禁于周期性光学势阱中，阵列间距处于微米量级。量子态判别依赖于循环跃迁条件下的荧光散射差异，处于亮态的原子在探测光作用下产生荧光计数，暗态则贡献背景散粒噪声与杂散光信号。成像系统核心任务是对单原子光子计数分布的统计可分性进行判别。

　　实验引入千眼狼（Revealer）Qbit 4610背照式sCMOS相机作为探测核心，该相机量子效率在可见光波段超过90%，具备超静音扫描模式以降低读出噪声，并支持2×2像素合并以增强弱信号响应。在40 ms曝光窗口内，单原子荧光信号与背景噪声之间的统计分离度达到可用于稳定判别量子态的水平。通过对阵列中多个原子位点的同时读出，可实现并行量子态判别，并为后续误差校正与反馈控制提供数据基础。

图-使用千眼狼（Revealer）Qbit 4610 sCMOS相机并行捕获原子阵列的单原子荧光信号，解析量子态空间分布

　　5. 结语

　　原子物理实验正加速进入以单原子、单光子为基本观测单元的精密控制时代。成像系统不再仅承担观测职能，更是实现量子态判别、动力学重构的核心硬件环节。

　　sCMOS相机凭借在低噪声读出、高量子效率以及大阵列并行成像方面的综合特征，已在冷原子、离子阱以及中性原子量子计算等多个研究方向形成成熟应用基础。ICAP 2026所呈现的最新研究进展表明，随着中性原子阵列从百比特向千比特扩展，以及离子阱系统对更高时空分辨率的需求增长，sCMOS相机作为量子态荧光探测的标准模块正逐步成为该领域的技术共识。