中科大首次實現(xiàn)芯片集成冷原子磁光阱系統(tǒng)，推動量子技術(shù)應用

　　近日，中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊與盧征天教授合作，在芯片化冷原子系統(tǒng)上取得新進展，首次實現(xiàn)基于雙芯片的冷原子磁光阱系統(tǒng)。這一成果有助于實現(xiàn)量子精密測量、量子模擬與計算相關(guān)應用，例如量子重力儀、量子存儲器等。

　　磁光阱可以對原子蒸氣進行冷卻和俘獲，在現(xiàn)代原子物理領域具有廣泛的應用前景。通過磁光阱獲得的冷原子系綜，是實現(xiàn)長相干時間量子比特，以及實現(xiàn)基于此的量子精密測量、量子模擬與計算等應用的必要基礎。

　　然而，傳統(tǒng)磁光阱系統(tǒng)在進一步可擴展應用上受到部分制約，例如多路自由空間光束對準、龐大的反亥姆霍茲線圈、以及磁場和光場中心的嚴格重合等挑戰(zhàn)。因此，如何實現(xiàn)小型化乃至芯片化的磁光阱系統(tǒng)吸引了國際上的廣泛興趣。其中，基于光柵芯片的磁光阱極大簡化了傳統(tǒng)磁光阱中六束空間光的入射系統(tǒng)，不僅體積小、重量輕、光窗口豐富、可擴展性高，還在移動式量子精密測量系統(tǒng)、集成化量子計算系統(tǒng)中有巨大潛力。

　　但對于磁光阱的另一重要組成部分——磁場線圈，此前仍然只能采用三維的線圈來實現(xiàn)。如果磁場線圈的尺寸較大，則需要更粗的導線和更強的電流來實現(xiàn)所需的磁場梯度，最終功耗大，發(fā)熱嚴重。如果將線圈的尺寸減小，則線圈可能會嚴重阻礙光路，減小可供使用的光學窗口大小。

　　為此，郭光燦院士團隊鄒長鈴課題組與盧征天教授合作，提出了一種全新的平面化磁場線圈構(gòu)型，僅需一塊3cm×3cm的芯片，即可產(chǎn)生磁光阱所需的四極磁場?；谥锌拼蟮奈⒓{加工中心，他們自主設計和加工了相互匹配的磁場芯片與光柵芯片，并基于此成功地俘獲了超過106個低溫87Rb原子，證明了這個新穎構(gòu)型的實用性。他們將獨立設計的磁場芯片與光柵芯片結(jié)合，實現(xiàn)了基于雙芯片的冷原子磁光阱系統(tǒng)。相關(guān)成果近日在線發(fā)表于《Physical Review Applied》期刊。

　　前述團隊自主設計的兩種芯片尺寸小，重量輕，功耗低，騰出了更多的光學窗口。此外，其使用也很方便，可以將兩塊芯片疊在一起，僅需透明膠固定在真空的玻璃窗口外面，通過單束激光入射即可俘獲冷原子。其中，磁場芯片6.4W（瓦）即可驅(qū)動，有望使用便攜蓄電池供電，推動小型磁光阱系統(tǒng)的進一步集成。

　　團隊還進一步探索了新構(gòu)型下磁光阱的表現(xiàn)與各個參數(shù)之間的關(guān)系。實驗中，研究人員觀察到隨著磁場電流的增大，局部最優(yōu)的光場失諧也會隨之近似線性地增大。團隊從原子的能級構(gòu)型出發(fā)，提出這可能是由于磁場尺寸縮減導致，并實驗證實了這一磁光阱調(diào)控的新特點，而這一點在傳統(tǒng)三維大線圈構(gòu)型下容易被忽略。該研究工作不僅在實驗上觀察到了這一重要物理現(xiàn)象，還提供了對磁光阱表現(xiàn)的新理解。

　　審稿人對此做出評價：“我認為這項工作將會吸引原子、分子和光學(AMO)領域的注意，在那里，光柵磁光阱(MOT)和微型MOT技術(shù)正在成為人們的興趣，而且這個工作擁有實實在在的影響，并與實際應用有著密切聯(lián)系。”

　　中科院量子信息重點實驗室研究生陳梁為論文第一作者，鄒長鈴教授為論文通訊作者。前述研究工作獲得國家重點研究研發(fā)項目、國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金和國家市場監(jiān)管重點實驗室（時間頻率與重力計量基準）開放課題的資助。相關(guān)成果已申請專利并獲授權(quán)。（記者 王蕙蓉）

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

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