研究人员正在努力将冷原子量子实验和应用从实验室台面转移到基于芯片的系统。
加州大学圣巴巴拉分校的研究人员正在努力将冷原子量子实验和应用从实验室台面转移到基于芯片的系统，从而为传感、精密计时、量子计算和基础科学测量开辟新的可能性。
“我们处于一个转折点，”电气与计算机工程教授丹尼尔·布伦塔尔说道。
在一篇受邀文章中，布伦塔尔与研究生研究员安德烈·伊西琴科和博士后研究员尼特什·乔汉共同阐述了捕获和冷却这些实验所需的原子的最新发展和未来方向，这将使这些实验进入可以放在你手掌中的设备。
冷原子是已被冷却到非常低温度（低于1 mK）的原子，从而将其运动减少到一个非常低的能量状态，使量子效应得以显现。这使它们对一些微弱的电磁信号和基本粒子非常敏感，并且适合用于精确计时、导航设备和量子计算的“量子比特”。
为了利用这些特性，许多研究人员目前正在使用高度灵敏的实验室级原子光学系统来限制、捕获和冷却原子。传统上，这些系统使用自由空间激光和光学，生成通过透镜、镜子和调制器引导、方向和操控的光束。这些光学系统与磁线圈和真空中的原子结合，使用普遍的三维磁光阱（3D-MOT）创建冷原子。研究人员面临的挑战是如何将激光和光学功能复制到一个小型、耐用的设备上，以便在实验室高度控制的环境之外应用，例如在重力传感、精密计时和计量学及量子计算等领域。
《Optica Quantum》的综述文章涵盖了通过紧凑光学和集成光子学应用在迷你化复杂冷原子实验方面的最新快速进展。作者提到了许多子领域中的光子学成就，从电信到传感器，并将技术发展映射到冷原子科学。
伊西琴科说道：“在光束传递迷你化方面有很多很好的工作，但它们仍然使用被视为自由空间光学的组件——更小的镜子或更小的光栅——但你仍然无法将多个功能集成到芯片上。”
进入研究人员的光子集成3D-MOT，这是用于实验中广泛使用的设备的迷你版，用于交付激光冷却原子的光束。它嵌入到低损耗氮化硅波导集成平台中，是光子系统中生成、引导、扩展和操控所有必要光束以捕获和冷却原子的部分。综述文章强调了由加州大学圣巴巴拉团队展示的光子集成3D-MOT或“PICMOT”，作为该领域的一个重大里程碑。
伊西琴科补充道：“通过光子学，我们可以在芯片上制造激光，在芯片上制造调制器，现在还有大面积光栅发射器，这是我们用来让光在芯片上开关。”
特别引人关注的是原子池，这是一个真空腔，原子在此被捕获和冷却。研究人员实现的一项壮举是通过波导将光纤输入光路路由到三个光栅发射器，这些发射器产生三条3.5毫米宽的平行自由空间交叉光束。每条光束在自身上反射，共产生六条交叉光束，可从池内的蒸汽中捕获一百万个原子，并结合磁场将原子冷却至仅250μK的温度。布伦塔尔指出，光束越大，能够捕获的原子云就越多，仪器精度也就越高。
布伦塔尔说：“我们首次利用集成光子学创造了冷原子。”
研究人员创新的影响深远。随着对耐用性和功能性的计划改进，未来的芯片规模MOT设计可以利用一系列光子组件，包括最近的芯片规模激光器的成果。这可以用于优化各种应用的技术，例如测量火山活动、海平面上升和冰川运动的影响，通过感测地球上及周围的重力梯度。
3D-MOT的集成可以为量子科学家和时间维护者提供将当今地球仪器送入太空并开展新的基础科学的全新方法，并进行在地球上无法进行的测量。此外，这些设备还可以通过减少建立和微调光学设置的时间和精力来推进研究项目。它们还可以为未来的物理学家打开通往可接触的量子研究项目的大门。
