Nature Communications更新 | 原子阵列与纳米光电子芯片的集成

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引言
近年来，光镊阵列中捕获的中性原子阵列已成为量子信息处理和量子模拟的一个有前途的平台。这些系统具有可扩展性、可重构连接性和高保真度操作的特点。然而，要充分发挥的潜力，将原子阵列与光子接口集成非常必要。这种集成可以实现量子通信、分布式量子计算和新颖的量子模拟功能。

+ E, D5 t2 W9 v8 ^) i在本文中将探讨突破性的平台，结合了原子阵列和纳米光电子芯片，这是Menon等人在最近发表的Nature Communications论文中展示的[1]。我们将讨论这个集成系统的主要挑战、创新解决方案和潜在应用。
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平台介绍
5 j$ f: o% W* h5 ~7 l. s; p, d. U* L该平台的核心由一个光学镊子阵列组成，可以在纳米光子芯片附近捕获、移动和重新排列单个铯原子。芯片上有100多个纳米光子晶体腔，每个腔长约60μm。
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图1：原子阵列-纳米光子芯片平台示意图。
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( ?% e  T) i' A0 o- f3 T+ V' O! D主要挑战和解决方案
1. 原子装载和成像
挑战：在纳米光子结构附近装载原子并对其成像是困难的，因为来自介电表面的散射和反射是不平衡的。

7 K/ b- K6 s* @! L# M4 [+ m( p解决方案：研究人员开发了半开放式芯片几何结构，其中器件悬挂在芯片边缘。这种设计提供了足够的激光冷却通道，能够在芯片结构附近形成磁光阱（MOT）。

/ S6 g1 D* z( A0 X' t4 K. R9 J& `2. 无背景成像
, S, V5 x* v( e. ^$ x挑战：由于纳米光子器件的强烈散射，标准荧光成像技术是不实用的。
# K, h8 N/ p0 G$ M0 m; N7 \' }解决方案：实施了多色成像技术-

通过两光子跃迁将原子激发到7S1/2态。

激发波长被光谱滤除。

对895 nm衰减路径的荧光进行成像。

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图2：使用两光子激发过程的无背景成像方案。

这种技术实现了在纳米光子器件附近对原子进行高保真度（≈99.2%）成像。
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( v4 H0 O) f4 v, {; ?3. 精确原子放置
) x! U2 v8 W- X$ ^2 P9 x* k挑战：将原子精确放置在纳米光子器件上的特定位置。
  c" K7 U0 t0 b) f, z解决方案：研究人员开发了一种方法，可以将装载有单个原子的光学镊子从装载区域绝热平移到器件上。他们使用AC Stark位移测量来验证原子的放置。

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& s8 {% ?6 R9 j  @图3：模拟和绘制Stark位移测量以验证器件上原子放置的示例。
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8 I2 J* }0 w* B. p4. 原子重排和装载
挑战：将原子重新排列成无缺陷阵列并将其装载到特定器件上。
解决方案：研究人员实现了一种重排算法，允许他们：

对随机装载的原子进行初始成像。

处理图像以确定原子位置。

将原子重新排列成无缺陷阵列。

平移阵列以将原子装载到特定器件上。
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应用和未来方向
这个集成平台为量子信息处理和模拟开辟了几个令人兴奋的可能性：

多路复用量子网络：将多个原子装载到纳米光子腔的能力使得可以高效地生成原子-光子纠缠，用于量子通信协议。

分布式量子计算：结合原子阵列的计算能力和光子接口，可以实现可扩展的分布式量子计算架构。

量子模拟：该平台能够探索原子-波导系统中的新型多体现象，如原子的自组织和任意光子态的生成。

快速读出和反馈：与纳米光子器件的集成可以提高读出速度和中电路测量能力。
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未来平台的改进可能包括：
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优化原子装载概率和存活率。

引入热调谐以使腔体与原子跃迁共振。

探索替代耦合方法，如光栅耦合器或锥形光纤。

直接在芯片上集成额外的光子元件，如分束器、调制器和探测器。
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结论
原子阵列与纳米光电子芯片的集成代表了量子信息处理的一个重大进步。通过结合原子阵列的可扩展性和可编程性与纳米光电子器件提供的强光-物质相互作用，该平台为更强大和多功能的量子系统奠定了基础。
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; ]" L. M, z! s6 w: U- ]本文中介绍的技术，如半开放式芯片几何结构、无背景成像和精确原子放置，为将原子与各种纳米光子结构集成提供了一般性方法。随着研究人员继续改进和扩展这些方法，可以期待看到越来越复杂的量子器件，这些器件利用了原子和光子系统的优势。

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参考文献
; c" y& j" x5 s' C3 \& s[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.