Physical Review X | 在納米光子線路上捕獲原子：量子科學(xué)的新前沿

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化 · 發(fā)表于 2024-9-17 08:05:00

引言
將冷原子與納米光子器件集成為量子傳感、計(jì)量和信息處理帶來了新的機(jī)遇。然而，在集成光電子線路上高效捕獲大量原子一直是重大挑戰(zhàn)。在本文中將探討Zhou等人展示的突破性技術(shù)，可以直接在納米光電子微環(huán)諧振器上裝載和捕獲冷原子團(tuán)[1]。

關(guān)鍵創(chuàng)新：簡(jiǎn)并拉曼邊帶冷卻
研究人員通過在硅氮化物微環(huán)諧振器上方形成的微陷阱中采用簡(jiǎn)并拉曼邊帶冷卻（dRSC）實(shí)現(xiàn)了高效的原子捕獲。一個(gè)關(guān)鍵的洞見是，微環(huán)的回廊模式（WGM）的倏逝場(chǎng)為原子創(chuàng)造了內(nèi)置的自旋-運(yùn)動(dòng)耦合。

圖1. 這幅圖說明了在納米光子微環(huán)電路上捕獲原子的過程。冷原子通過光學(xué)微陷阱和虛擬磁場(chǎng)被捕獲。虛擬磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了自旋-運(yùn)動(dòng)耦合，并通過簡(jiǎn)并拉曼邊帶冷卻（dRSC）進(jìn)行冷卻。原子陷阱的配置影響探測(cè)光的透射信號(hào)。

如圖1所示，該裝置包括：

一個(gè)從底部照射的光學(xué)引導(dǎo)（OG）束，創(chuàng)造一個(gè)漏斗狀的吸引勢(shì)。

在微環(huán)中激發(fā)的藍(lán)失諧回廊模式 (WGM) 創(chuàng)造一個(gè)排斥性的倏逝場(chǎng)勢(shì)壘。

一個(gè)偏置磁場(chǎng)，定義量子化軸。

一個(gè)用于冷卻的光學(xué)泵浦束。
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冷卻機(jī)制
WGM的倏逝場(chǎng)在波導(dǎo)上方約98%是圓偏振的。這造成了一個(gè)相當(dāng)于作用在原子上的虛擬磁場(chǎng)的位置依賴性矢量光移。場(chǎng)振幅沿z軸（垂直于芯片表面）呈指數(shù)衰減，導(dǎo)致顯著的自旋-運(yùn)動(dòng)耦合。

這種耦合允許簡(jiǎn)并拉曼邊帶冷卻：

虛擬場(chǎng)在相鄰磁能級(jí)的簡(jiǎn)并陷阱態(tài)之間創(chuàng)造拉曼耦合。

在蘭姆-迪克區(qū)域進(jìn)行σ+躍遷的光學(xué)泵浦允許被捕獲的原子被泵浦到能量降低的暗態(tài)。

實(shí)驗(yàn)流程

在距離電路較遠(yuǎn)的光學(xué)漏斗中使用磁光陷阱（MOT）預(yù)冷銫原子。

引導(dǎo)原子向表面微陷阱移動(dòng)。

執(zhí)行dRSC以冷卻靠近表面的引導(dǎo)原子。

通過原子引起的微環(huán)透射譜中的透明度來檢測(cè)被捕獲的原子。
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結(jié)果和分析
研究人員使用這種技術(shù)取得了顯著的結(jié)果：

陷阱壽命：他們展示了在|F=3， mF=3?態(tài)極化的被捕獲原子的單體壽命約為230毫秒。通過連續(xù)冷卻，壽命延長(zhǎng)到接近一秒。

被捕獲原子數(shù)量：該技術(shù)允許在約10立方微米的小微陷阱體積中捕獲多達(dá)N≈70個(gè)原子。

溫度：被捕獲的原子達(dá)到了低溫Ttrap≈23μK，對(duì)應(yīng)的平均振動(dòng)量子數(shù)ν?≈14。

協(xié)同耦合：被捕獲的原子表現(xiàn)出大的協(xié)同耦合和向微環(huán)的WGM的超輻射衰減。
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圖2. 這幅圖展示了被捕獲原子中觀察到的協(xié)同耦合和超輻射衰減。通過控制陷阱中的原子數(shù)量，測(cè)量了穩(wěn)態(tài)透射譜和脈沖激發(fā)衰減率。結(jié)果顯示了協(xié)同度與衰減率之間的關(guān)系，衰減率隨著協(xié)同度的增加而增加。觀察到的衰減率略低于理論預(yù)期，這可能是由于探測(cè)回廊模式（WGM）的反向散射造成的。

圖2展示了一些關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
(b) 不同數(shù)量被捕獲原子的穩(wěn)態(tài)透射譜。
(c) 通過脈沖激發(fā)測(cè)量觀察到的超輻射衰減。
(d) 歸一化衰減率與協(xié)同度的關(guān)系，顯示了原子-光子耦合的集體增強(qiáng)。
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意義和未來方向
這項(xiàng)工作代表了冷原子與集成納米光子電路接口的重大進(jìn)展。潛在的應(yīng)用和未來方向包括：

量子非線性光學(xué)：實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)集體耦合可能使少光子水平的光子-光子相互作用進(jìn)入新的領(lǐng)域。

量子模擬：該平臺(tái)可用于設(shè)計(jì)原子之間的長(zhǎng)程相互作用，以模擬量子多體系統(tǒng)。

量子傳感和計(jì)量：芯片上大量集體耦合的原子可能提高原子干涉儀和原子鐘的靈敏度。

量子化學(xué)：該技術(shù)可能擴(kuò)展到捕獲和研究超冷分子，為量子水平的可控化學(xué)開辟新途徑。

可擴(kuò)展性：研究人員表示，通過將微陷阱擴(kuò)展到覆蓋整個(gè)微環(huán)周長(zhǎng)，被捕獲的原子數(shù)量可能至少增加10倍。

進(jìn)一步冷卻：通過實(shí)施更緊密的束縛（例如，使用雙色倏逝場(chǎng)陷阱），可能將原子冷卻到接近振動(dòng)基態(tài)，并抑制非彈性碰撞。

增加耦合：將原子轉(zhuǎn)移到更靠近表面的更緊密陷阱（z_c≈100 nm）可能顯著增加單原子協(xié)同度到C_1?10。
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結(jié)論
Zhou等人展示的在納米光子電路上捕獲原子的技術(shù)代表了量子光學(xué)和原子物理領(lǐng)域的重大進(jìn)步。通過利用倏逝場(chǎng)的獨(dú)特性質(zhì)并采用巧妙的冷卻策略，他們?yōu)樵诩晒庾有酒蟿?chuàng)建大量集體耦合的原子開辟了新的機(jī)遇。這項(xiàng)工作為量子信息處理、傳感和基礎(chǔ)物理研究的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

隨著該領(lǐng)域研究的進(jìn)展，可以期待看到更加復(fù)雜的原子-納米光子接口，可能導(dǎo)致緊湊、可擴(kuò)展的量子器件，結(jié)合原子系統(tǒng)和集成光子學(xué)的最佳特性。這項(xiàng)開創(chuàng)性研究展示的創(chuàng)新為芯片上的量子技術(shù)未來帶來了新的可能性。
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參考文獻(xiàn)
[1] X. Zhou, H. Tamura, T.-H. Chang, and C.-L. Hung, "Trapped Atoms and Superradiance on an Integrated Nanophotonic Microring Circuit," Phys. Rev. X, vol. 14, no. 3, p. 031004, Jul. 2024.

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