科研进展 | 芝加哥大学&阿贡国家实验室：无背景成像的原子阵列-纳米光子集成芯片平台

囚禁在光镊中的中性原子阵列由于其可扩展性、可重构连接性和高保真操作而成为量子信息处理和量子模拟的领先平台。单个原子能够发射与其内部原子状态纠缠在一起的不可分辨光子，故而成为量子网络的有力候选者。原子阵列与光子接口集成在一起，将使分布式架构（承载许多处理量子比特的节点可以通过远程纠缠的分布有效地连接在一起）成为可能。然而，许多原子阵列技术在靠近光子接口的地方不再工作，由于附近光子器件的散射，通过标准荧光成像进行原子检测是一个重大挑战。

7月11日，芝加哥大学与阿贡国家实验室的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表题为“An integrated atom array-nanophotonic chip platform with background-free imaging”（无背景成像的原子阵列-纳米光子集成芯片平台）的研究论文，Shankar G. Menon、Noah Glachman为论文共同第一作者，Hannes Bernien为论文通讯作者。

近日，高保真纠缠操作以及执行中间电路读取和反馈的能力在原子阵列系统中得到了证明。这些系统与光子接口组合之后，可以通过实现量子通信、盲量子计算和分布式量子计算、中间电路与更快读取技术、分布式传感，或是通过扩展可模拟的长程相互作用哈密顿量集，来进一步增强其功能。

在本文中，研究人员展示了一种将具有多达64个光镊的原子阵列与容纳100多个纳米光子腔的毫米级光子芯片组合在一起的架构，并使用多色激发与检测方案在纳米加工腔附近实现高保真（~99.2%）的无背景成像。原子囚禁在介电表面上方几百纳米处时可以成像，研究人员使用修改后的囚禁电势的斯塔克位移测量验证了这一点。最后，研究人员将原子重新排列成无缺陷阵列，并将它们同时加载到同一或多个设备上。

方法

光镊通过高度聚焦的激光束形成势阱，能够囚禁和操控单个原子。这种方法允许研究者以极高的精确度控制量子比特。原子阵列的另一个关键优势是它们的可编程性，即能够实现任何到任何的连接性，这对于执行复杂的量子算法至关重要。

首先，研究人员构建了一个将具有多达64个光镊的原子阵列与容纳100多个纳米光子腔的毫米级光子芯片组合在一起的集成平台。这个平台由光镊阵列组成，光镊阵列又由一对正交声光偏转器（crossed acousto-optic deflector）构成，能够囚禁、移动和重排单个原子。这些光镊在超高真空室内操作，确保了实验的精确性和可重复性。

这些设备在由330纳米厚、置于硅衬底顶部的氮化硅上制造，硅衬底在设备区域完全切割开，使光镊光束即使在设备附近也能通过芯片。研究人员通过腔外的耦合透镜对纳米光子设备进行表征，该透镜产生一个衍射极限点，与纳米光子腔附加的锥形波导末端模式相匹配。目前测得的耦合效率为20%，模拟显示理论上可以达到91%。

研究人员通过形成磁光阱（MOT）冷却原子，并在靠近设备数十微米的加载区域中加载到光镊中。然而，由于芯片和设备的部分反射，标准荧光成像技术在此环境中不适用。研究人员展示了这一问题的规模，在加载区域即使远离设备，这种散射也导致每像素的信号在数百到数千光子之间，而原子信号通常在每像素约1.6光子。设备区域的散射更加严重，某些像素检测到超过35万个光子，这在高电子增益设置下会迅速损坏相机传感器。

为了克服这一散射问题，研究人员采用了一种无背景成像技术，通过驱动双光子跃迁到激发态，然后沿另一衰变路径成像原子的荧光，从而滤除不需要的背景。这种方法实现了高检测保真度，显示了阵列在加载区域和设备之间的荧光图像，并能高保真地区分原子是否存在。

为了将原子移动到光子芯片上以足够接近耦合原子与设备的光场，研究人员逐步将加载有单个原子的光镊从加载区域移动到设备上方，形成驻波阱，并测量原子在设备上方加载时的AC Stark移位。这些方法表明，原子可以有效加载到设备上方的驻波阱中，实现与腔模式的强耦合。

为了进一步集成原子阵列与纳米光子学，需要将原子重排成无缺陷阵列，并加载到设备上。研究人员展示了单个设备加载一个或多个原子的能力，并通过快速图像处理和光镊重排技术，实现了高效的原子加载和重排。这一平台为未来量子技术的发展，特别是在多路复用电信量子网络、容错分布式量子计算和新型多体现象的演示方面，提供了重要的基础。

图1：原子阵列-纳米光子芯片平台。

图2：原子阵列的无背景成像。

图3：设备顶部的成像原子。

图4：无缺陷原子重排并装载到设备上。

主要研究人员

Hannes Bernien，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）助理教授，研究领域包括量子信息、量子多体物理、量子光学，并寻求开发设计大型复杂量子系统的新方法。在加入PME之前，Bernien是哈佛量子光学中心的博士后研究员。Bernien在德国汉诺威大学获得物理学硕士学位。他在荷兰代尔夫特工业大学获得博士学位，并以优异成绩毕业。他获得的奖项包括Kavli博士论文奖、爱思唯尔金刚石与碳材料青年学者奖以及Paul Ehrenfest奖。

Alan M. Dibos，阿贡国家实验室纳米材料中心研究员。他是低维光学纳米结构的纳米加工和低温测量方面的专家。他的研究兴趣包括光子纳米腔或等离子体纳米腔与固态基质中的类原子缺陷中心之间的光学耦合。目标是改变光谱特性，提高光子发射率，提高量子信息科学应用的光子收集效率。为此，Dibos博士担任Q-NEXT项目的首席研究员（PI），该项目研究基于低温固态自旋的电信量子存储器。Dibos 博士还是 ASCR 资助的 InterQnet 项目的 PI，该项目旨在通过阿贡校区周围的光纤集成异质物质量子比特系统。

Shankar G. Menon，芝加哥大学研究生在读，师从Hannes Bernien。

Noah Glachman，芝加哥大学研究生在读，师从Hannes Bernien。

参考链接