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

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引言
近年來，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有前途的平臺。這些系統(tǒng)具有可擴展性、可重構(gòu)連接性和高保真度操作的特點。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。這種集成可以實現(xiàn)量子通信、分布式量子計算和新穎的量子模擬功能。
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# g$ M# j6 S' a7 T: o1 W在本文中將探討突破性的平臺，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]。我們將討論這個集成系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)、創(chuàng)新解決方案和潛在應用。

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平臺介紹
該平臺的核心由一個光學鑷子陣列組成，可以在納米光子芯片附近捕獲、移動和重新排列單個銫原子。芯片上有100多個納米光子晶體腔，每個腔長約60μm。



圖1：原子陣列-納米光子芯片平臺示意圖。
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9 G- H5 {  [2 R) d  o4 L2 _主要挑戰(zhàn)和解決方案
1. 原子裝載和成像
' J* b; e! d* q9 `0 j% w6 U挑戰(zhàn)：在納米光子結(jié)構(gòu)附近裝載原子并對其成像是困難的，因為來自介電表面的散射和反射是不平衡的。
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. B4 G$ v+ \- u- @/ y( u% e% D; q解決方案：研究人員開發(fā)了半開放式芯片幾何結(jié)構(gòu)，其中器件懸掛在芯片邊緣。這種設計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）。

2. 無背景成像
挑戰(zhàn)：由于納米光子器件的強烈散射，標準熒光成像技術(shù)是不實用的。
解決方案：實施了多色成像技術(shù)-

通過兩光子躍遷將原子激發(fā)到7S1/2態(tài)。

激發(fā)波長被光譜濾除。

對895 nm衰減路徑的熒光進行成像。
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, f/ S7 D' Y" F1 r. I- q# q) F% y圖2：使用兩光子激發(fā)過程的無背景成像方案。
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+ a! |' @( ^2 O7 f& }4 T這種技術(shù)實現(xiàn)了在納米光子器件附近對原子進行高保真度（≈99.2%）成像。
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3. 精確原子放置
挑戰(zhàn)：將原子精確放置在納米光子器件上的特定位置。
) ~6 c1 W. u. F, i# g解決方案：研究人員開發(fā)了一種方法，可以將裝載有單個原子的光學鑷子從裝載區(qū)域絕熱平移到器件上。他們使用AC Stark位移測量來驗證原子的放置。

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圖3：模擬和繪制Stark位移測量以驗證器件上原子放置的示例。

+ c4 _, a$ h+ n3 v4. 原子重排和裝載
挑戰(zhàn)：將原子重新排列成無缺陷陣列并將其裝載到特定器件上。
9 B( f' ~0 _$ }, }7 s  p0 z) f解決方案：研究人員實現(xiàn)了一種重排算法，允許他們：

對隨機裝載的原子進行初始成像。

處理圖像以確定原子位置。

將原子重新排列成無缺陷陣列。

平移陣列以將原子裝載到特定器件上。

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( c1 x: z/ s. l0 A7 W$ X6 y應用和未來方向
這個集成平臺為量子信息處理和模擬開辟了幾個令人興奮的可能性：

多路復用量子網(wǎng)絡：將多個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。

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

量子模擬：該平臺能夠探索原子-波導系統(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量能力。
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" F% p3 P: [9 a# R* J未來平臺的改進可能包括：
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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)制器和探測器。
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$ g/ w7 p& Q  i9 w3 F8 B' A0 |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重大進步。通過結(jié)合原子陣列的可擴展性和可編程性與納米光電子器件提供的強光-物質(zhì)相互作用，該平臺為更強大和多功能的量子系統(tǒng)奠定了基礎。
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; N& B6 v) R! Z8 e本文中介紹的技術(shù)，如半開放式芯片幾何結(jié)構(gòu)、無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)改進和擴展這些方法，可以期待看到越來越復雜的量子器件，這些器件利用了原子和光子系統(tǒng)的優(yōu)勢。
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參考文獻
8 o. Z6 n1 F, ]6 H; j2 A1 n[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.