原子芯片上集成的基于光学微腔阵列的单原子探测

原子芯片是一种具有高集成度和扩展度、能在量子层面上对原子进行精确操控的微型化实验平台，在微型化的原子干涉仪、原子钟和量子信息处理方面有着广阔的应用前景。对基于原子芯片的量子信息处理方案来说，单原子探测是一个关键环节。因此在原子芯片上发展一种具有较高信噪比和探测效率的单原子探测器件是很有必要的。我们设计了一种可集成在原子芯片上的基于微型波导的微腔阵列，可以用来实现单原子的探测。微腔内激光的束腰半径约为1.5微米，微腔的预期精细度为45左右，腔的协同参数约为1.2,这就意味着这种微腔能够探测到单原子。这种微腔阵列制造工艺成熟，集成度高，扩展性好，不需要额外调节。将这种微腔阵列集成到原子芯片上，首先在原子芯片上囚禁住原子，冷却到几百nK后转移到微腔阵列中心，进行单原子探测。我们希望实现一种集原子的冷却、囚禁、操控、探测于一体的微型化实验装置，为将来在原子芯片上进行量子信息处理打下基础。

囚禁的单原子具有相干时间长，内外态能进行精确操控的优点。这些优点使得囚禁的单原子体系在实现量子计算和量子信息处理方面具有独特的优势。但是在走向实用化的量子计算和量子信息处理时，囚禁的单原子体系也面临着扩展性、微型化和集成化的问题。.针对这些问题，我们设计并加工了一种基于中性单原子阵列的量子信息处理芯片，它由7根微型光波导阵列和7个刻蚀在波导端面上的微透镜组成，光波导芯的尺寸为4微米×4微米，中心间距为10微米。微透镜的焦距约为13微米，每个微透镜的中心和波导芯的中心重合。该芯片将先进的单原子量子操控能力和半导体集成制造能力结合在一起，具有很高的集成度和扩展性。这种量子信息处理芯片具有囚禁和探测单原子阵列、独立寻址等功能，且囚禁的单原子间的相互作用可控，能实现单原子的纠缠以及各种受控门操作，为单原子量子计算走向实用化提供了一种可能的途径。