原子晶片上集成的基於光學微腔陣列的單原子探測

《原子晶片上集成的基於光學微腔陣列的單原子探測》是依託中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，由柯敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：原子晶片上集成的基於光學微腔陣列的單原子探測
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：柯敏
• 依託單位：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院

項目摘要

原子晶片是一種具有高集成度和擴展度、能在量子層面上對原子進行精確操控的微型化實驗平台，在微型化的原子干涉儀、原子鐘和量子信息處理方面有著廣闊的套用前景。對基於原子晶片的量子信息處理方案來說，單原子探測是一個關鍵環節。因此在原子晶片上發展一種具有較高信噪比和探測效率的單原子探測器件是很有必要的。我們設計了一種可集成在原子晶片上的基於微型波導的微腔陣列，可以用來實現單原子的探測。微腔內雷射的束腰半徑約為1.5微米，微腔的預期精細度為45左右，腔的協同參數約為1.2,這就意味著這種微腔能夠探測到單原子。這種微腔陣列製造工藝成熟，集成度高，擴展性好，不需要額外調節。將這種微腔陣列集成到原子晶片上，首先在原子晶片上囚禁住原子，冷卻到幾百nK後轉移到微腔陣列中心，進行單原子探測。我們希望實現一種集原子的冷卻、囚禁、操控、探測於一體的微型化實驗裝置，為將來在原子晶片上進行量子信息處理打下基礎。

結題摘要

囚禁的單原子具有相干時間長，內外態能進行精確操控的優點。這些優點使得囚禁的單原子體系在實現量子計算和量子信息處理方面具有獨特的優勢。但是在走向實用化的量子計算和量子信息處理時，囚禁的單原子體系也面臨著擴展性、微型化和集成化的問題。 針對這些問題，我們設計並加工了一種基於中性單原子陣列的量子信息處理晶片，它由7根微型光波導陣列和7個刻蝕在波導端面上的微透鏡組成，光波導芯的尺寸為4微米×4微米，中心間距為10微米。微透鏡的焦距約為13微米，每個微透鏡的中心和波導芯的中心重合。該晶片將先進的單原子量子操控能力和半導體集成製造能力結合在一起，具有很高的集成度和擴展性。這種量子信息處理晶片具有囚禁和探測單原子陣列、獨立定址等功能，且囚禁的單原子間的相互作用可控，能實現單原子的糾纏以及各種受控門操作，為單原子量子計算走向實用化提供了一種可能的途徑。