Nature Communications更新 | 原子陣列與納米光電子芯片的集成

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
近年來(lái)，光鑷陣列中捕獲的中性原子陣列已成為量子信息處理和量子模擬的一個(gè)有前途的平臺(tái)。這些系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、可重構(gòu)連接性和高保真度操作的特點(diǎn)。然而，要充分發(fā)揮的潛力，將原子陣列與光子接口集成非常必要。這種集成可以實(shí)現(xiàn)量子通信、分布式量子計(jì)算和新穎的量子模擬功能。
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$ B5 Q$ u4 t8 `4 I2 r在本文中將探討突破性的平臺(tái)，結(jié)合了原子陣列和納米光電子芯片，這是Menon等人在最近發(fā)表的Nature Communications論文中展示的[1]。我們將討論這個(gè)集成系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)、創(chuàng)新解決方案和潛在應(yīng)用。
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平臺(tái)介紹
7 ]: O" W# z- ]該平臺(tái)的核心由一個(gè)光學(xué)鑷子陣列組成，可以在納米光子芯片附近捕獲、移動(dòng)和重新排列單個(gè)銫原子。芯片上有100多個(gè)納米光子晶體腔，每個(gè)腔長(zhǎng)約60μm。

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+ u0 S2 R+ r% Z4 f$ n1 ^2 m. W  t0 |圖1：原子陣列-納米光子芯片平臺(tái)示意圖。
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( z2 q( w  ~5 K9 i# t) c6 H主要挑戰(zhàn)和解決方案
1. 原子裝載和成像
挑戰(zhàn)：在納米光子結(jié)構(gòu)附近裝載原子并對(duì)其成像是困難的，因?yàn)閬?lái)自介電表面的散射和反射是不平衡的。

7 D$ s; w  B* p' Y5 s* |解決方案：研究人員開(kāi)發(fā)了半開(kāi)放式芯片幾何結(jié)構(gòu)，其中器件懸掛在芯片邊緣。這種設(shè)計(jì)提供了足夠的激光冷卻通道，能夠在芯片結(jié)構(gòu)附近形成磁光阱（MOT）。

* F# \( U1 k3 u  B. x9 N# G2. 無(wú)背景成像
- i- D( d+ L' e, L% }9 u挑戰(zhàn)：由于納米光子器件的強(qiáng)烈散射，標(biāo)準(zhǔn)熒光成像技術(shù)是不實(shí)用的。
3 |: f& \' f" K5 T; l. t( c解決方案：實(shí)施了多色成像技術(shù)-
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通過(guò)兩光子躍遷將原子激發(fā)到7S1/2態(tài)。

激發(fā)波長(zhǎng)被光譜濾除。

對(duì)895 nm衰減路徑的熒光進(jìn)行成像。
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圖2：使用兩光子激發(fā)過(guò)程的無(wú)背景成像方案。

/ v. U4 w3 E% w3 u  `* O6 X這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在納米光子器件附近對(duì)原子進(jìn)行高保真度（≈99.2%）成像。
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' n& V8 e, L& ?* R) L3. 精確原子放置
0 g* u% b! Y+ P9 a- D) r8 L4 }2 t挑戰(zhàn)：將原子精確放置在納米光子器件上的特定位置。
6 ~! Z# |* y0 F& R3 B解決方案：研究人員開(kāi)發(fā)了一種方法，可以將裝載有單個(gè)原子的光學(xué)鑷子從裝載區(qū)域絕熱平移到器件上。他們使用AC Stark位移測(cè)量來(lái)驗(yàn)證原子的放置。


. Z+ E7 f1 @9 B# c9 Q7 u圖3：模擬和繪制Stark位移測(cè)量以驗(yàn)證器件上原子放置的示例。
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4. 原子重排和裝載
" g. O$ W* L6 g# J5 }9 U6 v挑戰(zhàn)：將原子重新排列成無(wú)缺陷陣列并將其裝載到特定器件上。
( L' r9 b% d) v% s% k# C! Q8 b解決方案：研究人員實(shí)現(xiàn)了一種重排算法，允許他們：

對(duì)隨機(jī)裝載的原子進(jìn)行初始成像。

處理圖像以確定原子位置。

將原子重新排列成無(wú)缺陷陣列。

平移陣列以將原子裝載到特定器件上。

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% x4 h. U5 B0 o" C; u' ]# ^' X應(yīng)用和未來(lái)方向
7 g- e* U3 o4 R# i' z這個(gè)集成平臺(tái)為量子信息處理和模擬開(kāi)辟了幾個(gè)令人興奮的可能性：

多路復(fù)用量子網(wǎng)絡(luò)：將多個(gè)原子裝載到納米光子腔的能力使得可以高效地生成原子-光子糾纏，用于量子通信協(xié)議。

分布式量子計(jì)算：結(jié)合原子陣列的計(jì)算能力和光子接口，可以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的分布式量子計(jì)算架構(gòu)。

量子模擬：該平臺(tái)能夠探索原子-波導(dǎo)系統(tǒng)中的新型多體現(xiàn)象，如原子的自組織和任意光子態(tài)的生成。

快速讀出和反饋：與納米光子器件的集成可以提高讀出速度和中電路測(cè)量能力。
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) R" Y  y2 W/ d' m  c0 Y; z未來(lái)平臺(tái)的改進(jìn)可能包括：

優(yōu)化原子裝載概率和存活率。

引入熱調(diào)諧以使腔體與原子躍遷共振。

探索替代耦合方法，如光柵耦合器或錐形光纖。

直接在芯片上集成額外的光子元件，如分束器、調(diào)制器和探測(cè)器。
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結(jié)論
原子陣列與納米光電子芯片的集成代表了量子信息處理的一個(gè)重大進(jìn)步。通過(guò)結(jié)合原子陣列的可擴(kuò)展性和可編程性與納米光電子器件提供的強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用，該平臺(tái)為更強(qiáng)大和多功能的量子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

* \! R* N, @) z% e8 r本文中介紹的技術(shù)，如半開(kāi)放式芯片幾何結(jié)構(gòu)、無(wú)背景成像和精確原子放置，為將原子與各種納米光子結(jié)構(gòu)集成提供了一般性方法。隨著研究人員繼續(xù)改進(jìn)和擴(kuò)展這些方法，可以期待看到越來(lái)越復(fù)雜的量子器件，這些器件利用了原子和光子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。


  K5 b. V* z3 m1 f4 d參考文獻(xiàn)
$ q2 ~) g. b) y8 Y- F- j[1]S. G. Menon et al., "An integrated atom array-nanophotonic chip platform with background-free imaging," Nature Communications, vol. 15, no. 1, p. 6156, Aug. 2024, doi: 10.1038/s41467-024-50355-4.