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)計自動化

引言
將冷原子與納米光子器件集成為量子傳感、計量和信息處理帶來了新的機遇。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[1]。
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' I. A! N, A- c4 a" w, I- g6 y( V5 `關(guān)鍵創(chuàng)新：簡并拉曼邊帶冷卻
* k3 Q6 [' Y% O! t/ R- T, r0 ~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并拉曼邊帶冷卻（dRSC）實現(xiàn)了高效的原子捕獲。一個關(guān)鍵的洞見是，微環(huán)的回廊模式（WGM）的倏逝場為原子創(chuàng)造了內(nèi)置的自旋-運動耦合。
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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)微陷阱和虛擬磁場被捕獲。虛擬磁場實現(xiàn)了自旋-運動耦合，并通過簡并拉曼邊帶冷卻（dRSC）進行冷卻。原子陷阱的配置影響探測光的透射信號。
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如圖1所示，該裝置包括：

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

在微環(huán)中激發(fā)的藍失諧回廊模式 (WGM) 創(chuàng)造一個排斥性的倏逝場勢壘。

一個偏置磁場，定義量子化軸。

一個用于冷卻的光學(xué)泵浦束。
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: N% y+ F) m, J2 n9 b  b; ^冷卻機制
WGM的倏逝場在波導(dǎo)上方約98%是圓偏振的。這造成了一個相當于作用在原子上的虛擬磁場的位置依賴性矢量光移。場振幅沿z軸（垂直于芯片表面）呈指數(shù)衰減，導(dǎo)致顯著的自旋-運動耦合。
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5 |8 a, N. G  I, l3 h$ \5 O這種耦合允許簡并拉曼邊帶冷卻：
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虛擬場在相鄰磁能級的簡并陷阱態(tài)之間創(chuàng)造拉曼耦合。

在蘭姆-迪克區(qū)域進行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)。
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實驗流程

在距離電路較遠的光學(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。

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被捕獲的原子。
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結(jié)果和分析
* n/ h+ b/ R, O* O$ q! |9 ~: T% y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N≈70個原子。

溫度：被捕獲的原子達到了低溫Ttrap≈23μK，對應(yīng)的平均振動量子數(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，這可能是由于探測回廊模式（WGM）的反向散射造成的。
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圖2展示了一些關(guān)鍵的實驗結(jié)果：
7 P' ~6 E- Y3 x3 f* T( \. H(b) 不同數(shù)量被捕獲原子的穩(wěn)態(tài)透射譜。
0 S1 Y- C' [7 T# c1 c(c) 通過脈沖激發(fā)測量觀察到的超輻射衰減。
  D8 a8 Q2 ~9 l5 X* g: E(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。


- o7 G6 i: t7 _( W* f意義和未來方向
' `5 z) M: G' f* |這項工作代表了冷原子與集成納米光子電路接口的重大進展。潛在的應(yīng)用和未來方向包括：

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

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

量子傳感和計量：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。

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

進一步冷卻：通過實施更緊密的束縛（例如，使用雙色倏逝場陷阱），可能將原子冷卻到接近振動基態(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)域的重大進步。通過利用倏逝場的獨特性質(zhì)并采用巧妙的冷卻策略，他們?yōu)樵诩�成光子芯片上�?chuàng)建大量集體耦合的原子開辟了新的機遇。這項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)。
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隨著該領(lǐng)域研究的進展，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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# y' c: z/ d! J- n9 N5 ~參考文獻
[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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