量子革命：晶片上的原子捕捉技術

加州大學聖塔芭芭拉分校的研究團隊正致力於將冷原子量子實驗從龐大的實驗室裝置縮小至晶片級系統。這項突破性進展有望徹底改變精確感測、時間計量、量子計算以及基礎科學等領域。正如電機與電腦工程教授Daniel Blumenthal所言：「我們正處於轉捩點。」

在《Optica Quantum》期刊的特刊文章中，Blumenthal與其團隊成員——研究生Andrei Isichenko和博士後研究員Nitesh Chauhan——詳細介紹了在原子捕捉與冷卻技術上的最新突破與未來發展方向。他們的研究目標是將這些強大的量子技術應用於可攜式裝置中，甚至可能小到可以放在手掌上。

冷原子被冷卻至極低溫度（低於1毫克爾文），使其運動速度減緩，量子效應成為主導。這使得它們對微弱的電磁訊號和基本粒子極為敏感，因此非常適合用於超高精度的時間計量、導航以及量子計算中的量子位元（qubits）。

目前，許多研究人員使用高度敏感的實驗室級原子光學系統來限制、捕捉和冷卻原子。傳統上，這些系統使用自由空間的雷射和光學元件，透過透鏡、鏡子和調製器來引導、定向和操控光束。這些光學系統與磁線圈和真空中的原子結合，利用普遍的三維磁光陷阱（3D-MOT）來產生冷原子。研究人員面臨的挑戰是如何將雷射和光學功能複製到一個小型、耐用的裝置上，以便在實驗室之外的高控制環境中應用，例如重力感測、精確時間計量和量子計算。

《Optica Quantum》的評論文章涵蓋了透過緊湊光學和整合光子學來縮小複雜冷原子實驗的最新快速進展。作者引用了從電信到感測器等多個子領域的光子學成就，並將技術發展對映到冷原子科學中。Isichenko表示：「我們首次使用整合光子學產生了冷原子。在光束傳遞的微型化方面已經有了很多優秀的工作，但這些工作仍然使用被視為自由空間光學的元件——更小的鏡子或更小的光柵——但你仍然無法將多種功能整合到一個晶片上。」

研究團隊的光子整合3D-MOT是廣泛用於實驗的裝置的微型化版本，用於傳遞光束以雷射冷卻原子。嵌入低損耗氮化矽波導整合平臺中，它是光子系統的一部分，生成、路由、擴充套件和操控所有捕捉和冷卻原子所需的光束。評論文章強調了加州大學聖塔芭芭拉分校團隊展示的光子整合3D-MOT（PICMOT）作為該領域的一個重要里程碑。

特別引人注目的是原子室，這是一個真空腔室，原子在其中被捕捉和冷卻。研究人員實現的一個成就是將輸入光從一根比頭髮還細的光纖透過波導傳遞到三個光柵發射器，生成三束3.5毫米寬的平行自由空間交叉光束。每束光被反射回自身，總共六束交叉光束捕捉了腔室內蒸汽中的一百萬個原子，並結合磁場將原子冷卻至僅250微克爾文。Blumenthal指出：「光束越大，可以捕捉到更多的原子形成雲團並進行檢測，儀器的精確度也就越高。」

Blumenthal表示：「我們首次使用整合光子學產生了冷原子。」研究人員的創新具有深遠的影響。隨著耐用性和功能的計劃改進，未來的晶片級MOT設計可以利用一系列光子元件，包括最近的晶片級雷射成果。這可以用於最佳化技術，應用於從測量火山活動到海平面上升和冰川運動的影響，透過感測地球及其周圍的重力梯度。

3D-MOT的整合可以為量子科學家和時間計量者提供新的方式，將當今的地面儀器送入太空並進行新的基礎科學研究，並實現地球上無法進行的測量。此外，這些裝置可以透過減少建立和微調光學設定的時間和精力來推進研究專案。它們還可以為未來的物理學家開啟可訪問的量子研究專案的大門。

參考文獻：Daniel J. Blumenthal, Andrei Isichenko 和 Nitesh Chauhan 的《Enabling photonic integrated 3D magneto-optical traps for quantum sciences and applications》，2024年12月24日，《Optica Quantum》。DOI: 10.1364/OPTICAQ.532260