研究人员捕获原子，迫使它们充当光子晶体管
普渡大学的研究人员将碱金属原子（铯）捕获在集成光子电路中，该电路的作用类似于电子晶体管，可充当光子（光的最小能量单位）晶体管。这些被捕获的原子展示了基于冷原子集成纳米光子电路构建量子网络的潜力。该团队由普渡大学科学学院物理学和天文学副教授 Chen-Lung Hung 领导，并在《物理评论 X》上发表了他们的发现。
“我们开发了一种技术，利用激光冷却并紧密捕获集成纳米光子电路中的原子，其中光在一条小的光子‘线’中传播，或者更准确地说，是在一条比人的头发细 200 多倍的波导中传播，”同时也是普渡大学量子科学与工程研究所成员的 Hung 解释道。
“这些原子被‘冻结’到零下 459.67 华氏度，或仅比绝对零度高 0.00002 度，并且基本上处于静止状态。在这种低温下，原子可以被瞄准光子波导的‘牵引光束’捕获，并被放置在比光波长短得多的距离上，大约 300 纳米或大约相当于病毒的大小。在这个距离下，原子可以非常有效地与光子波导中限制的光子相互作用。
“利用 Birck 纳米技术中心最先进的纳米制造仪器，我们将光子波导设计成直径约为 30 微米（比人类头发小三倍）的圆形，形成所谓的微环谐振器。光将在微环谐振器内循环并与被捕获的原子相互作用，”Hung 补充道。
该团队在这项研究中展示的一个关键功能是，这种原子耦合微环谐振器可充当光子的“晶体管”。他们可以使用这些被捕获的原子来控制光通过电路的流动。如果原子处于正确的状态，光子就可以通过电路传输。如果原子处于另一种状态，光子就会被完全阻挡。原子与光子的相互作用越强，这种门就越有效。
普渡大学物理与天文学院研究生周新超表示：“我们捕获了多达 70 个原子，它们可以集体耦合到光子，并在集成光子芯片上控制它们的传输。这是以前从未实现过的。”周新超也是今年 Bilsand 论文奖学金的获得者。
整个研究团队都来自印第安纳州西拉法耶特的普渡大学。Hung 担任首席研究员并负责监督该项目。Zhou 进行了在集成电路上捕获原子的实验，该电路由 Tzu-Han Chang 设计和制造，Tzu-Han Chang 曾是博士后，目前在 Birck 纳米技术中心与 Sunil Bhave 教授一起工作。实验的关键部分由 Zhou 和 Hikaru Tamura 设定，Hikaru Tamura 当时是普渡大学的博士后，现在是日本分子科学研究所的助理教授。
“我们在论文中详细介绍的技术使我们能够非常有效地用激光冷却集成光子电路上的许多原子。一旦许多原子被捕获，它们就可以集体与光子波导上传播的光相互作用，”周说。
“这对于我们的系统来说是独一无二的，因为所有的原子都是相同的，无法区分的，所以它们可以以相同的方式与光耦合并建立相位相干性，从而使原子能够以更强的强度集体与光相互作用。想象一下，当所有划船者同步划船时，与不同步的运动相比，船的速度会更快，”洪说。
“相比之下，嵌入光子电路的固态发射器很难‘相同’，因为每个发射器受到略微不同的环境影响。许多固态发射器很难建立相位相干性并与冷原子等光子共同相互作用。我们可以使用电路中捕获的冷原子来研究新的集体效应，”Hung 继续说道。
本研究展示的平台可为未来基于中性原子的分布式量子计算提供光子链路。它还可作为研究集体光物质相互作用和合成量子简并捕获气体或超冷分子的新实验平台。
“与日常生活中使用的电子晶体管不同，我们的原子耦合集成光子电路遵循量子叠加原理，”Hung 解释道。“这使我们能够操纵和存储捕获原子中的量子信息，这些原子是量子比特，称为量子位。我们的电路还可以有效地将存储的量子信息转换为光子，这些光子可以‘飞’过光子线和光纤网络，与其他原子耦合集成电路或原子-光子接口进行通信。我们的研究表明，基于冷原子集成纳米光子电路构建量子网络具有潜力。”
该团队已经在这个研究领域工作了好几年，并计划大力推进。他们过去与这项工作相关的研究发现包括最近的突破，例如2023 年实现的“牵引光束”方法，周是第一作者，以及2022 年实现的高效光纤耦合到光子芯片，正在申请美国专利。由于该团队成功演示了原子在电路中被非常有效地冷却和捕获，新的研究方向已经打开。这项研究的前景光明，有许多途径可供探索。
“接下来还有几个有希望的步骤值得探索，”Hung 说道。“我们可以将捕获的原子排列成沿着光子波导的有序阵列。这些原子可以通过建设性干涉集体耦合到波导，但由于破坏性干涉而无法将光子辐射到周围的自由空间。我们的目标是构建第一个纳米光子平台，以实现近年来理论家提出的所谓‘选择性辐射’，以提高量子系统中光子存储的保真度。
“我们还可以尝试在集成光子电路上形成新的量子物质状态，以研究具有原子-光子相互作用的少体和多体物理。我们可以将原子冷却到接近绝对零度的温度以达到量子简并，这样被捕获的原子就可以形成强相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚态气体。我们还可以尝试利用微环谐振器增强的辐射耦合从被捕获的原子中合成冷分子。”
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