集成光子-原子芯片的研究進展

電介質(zhì)表面的倏逝場強度沿著垂直于表面的方向指數(shù)衰減，作用范圍小于光波長。處于波導表面的倏逝場與原子偶極矩相互作用可以對原子產(chǎn)生力的作用，選擇合適的倏逝場波長可以克服范德瓦爾斯力形成光學偶極阱將原子束縛在電介質(zhì)表面的近場范圍內(nèi)^［43-45］。處于電介質(zhì)表面近場范圍內(nèi)的原子可以通過倏逝場與波導模式直接相互作用，在原子態(tài)調(diào)控中具有重要優(yōu)勢，因此，近場束縛原子備受重視^{［46， 47］}。OVCHINNIKOV Y B等首先于1991年提出使用表面倏逝場束縛原子^［16］，并于1997年通過三角棱鏡全反射產(chǎn)生的倏逝場將原子成功束縛于波導表面^［17］，為近場束縛原子邁出了重要一步。此后，在研究近場光子-原子芯片的過程中，出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)的波導以產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)分布的倏逝場，形成可以穩(wěn)定束縛原子的光學偶極阱，推動著近場光子-原子芯片的發(fā)展。接下來分別介紹光纖錐、集成波導和光子晶體波導表面近場束縛原子的研究工作。

當光纖被拉得很細的時候，光纖內(nèi)的光場將延伸到光纖外形成很強的倏逝場，而且光纖仍然能夠保持比較好的低損耗傳輸特性^［48］，因此，光纖錐可以很好地提供束縛原子的倏逝場。HAKUTA K研究組于2004年提出使用光纖錐的紅藍失諧光的倏逝場來束縛原子^［44］。光場與原子的偶極矩相互作用對原子產(chǎn)生偶極力，如圖6（a）所示，在光纖內(nèi)同時傳輸紅失諧和藍失諧光，紅失諧光的倏逝場對原子的偶極力起吸引到光纖表面的作用，而藍失諧光的倏逝場對原子的偶極力起排斥作用。調(diào)整合適的紅藍失諧光比例，可以克服光纖表面對原子的范德瓦爾斯力，使原子受力達到平衡^{［49， 50］}，從而原子被穩(wěn)定囚禁在光纖錐表面。由于光纖錐表面的倏逝場模式面積很大，對原子產(chǎn)生很強的相互作用，光纖錐表面的倏逝場足以對原子能級進行泵浦，原子所發(fā)出的熒光也可以高效地耦合到光纖而被探測。2008年，浙江大學TONG L研究組對光纖錐表面紅藍失諧光束縛原子也進行了研究，分析了不同波導模式倏逝場束縛原子的情況^［51］。2010年VETSCH E等通過光纖錐同時實現(xiàn)了原子的束縛、態(tài)激發(fā)和熒光探測，如圖6（b）所示，用于束縛原子的紅藍失諧光和泵浦光被同時導入光纖錐，由于Purcell增強效應，原子發(fā)出的大部分熒光可以耦合到光纖錐而被探測器所檢測^［52］。隨后他們還演示通過控制輸入光的偏振將不同自旋態(tài)的原子囚禁在光纖錐的不同位置，實現(xiàn)偏振色散光接口，以用于原子數(shù)的無損測量^［53］。

圖6  光纖錐表面倏逝場囚禁原子示意

Fig. 6  The illustration of atom trap with the evanescent field on the fiber taper

基于光纖錐的原子實驗，原子與光纖錐模式可以通過倏逝場產(chǎn)生很強的相互耦合作用。但是光纖錐在光場的作用下會產(chǎn)生機械振動，并且隨著光纖錐內(nèi)光強的增大而增大，很不利于原子態(tài)的精確調(diào)控，從而很難實現(xiàn)量子比特。為了克服機械振動對原子的影響，固定在芯片上的集成波導被研究并應用于束縛原子，以獲得穩(wěn)定的光子-原子芯片。類似于光纖錐結(jié)構(gòu)，波導內(nèi)的傳輸模式可以延伸到波導表面形成倏逝場，倏逝場形成的光學偶極阱可以將原子囚禁于波導表面的近場位置處^［54］。

2000年BARNETT A H等提出使用集成波導內(nèi)紅藍失諧光來束縛Cs原子^［55］。如圖7（a）所示，矩形直波導內(nèi)傳輸?shù)募t藍失諧偏振模式在波導表面存在倏逝場，倏逝場與原子偶極矩相互作用產(chǎn)生偶極力形成光學偶極阱使得原子可以克服范德瓦爾斯力而被穩(wěn)定囚禁于波導表面的近場范圍內(nèi)。光學偶極阱的結(jié)構(gòu)決定于光場的分布，通過設計不同組合的集成波導可以實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的光學偶極阱。如圖7（b）所示，不同數(shù)量和排列的波導可以產(chǎn)生不同空間分布的光場，以滿足不同場合中囚禁原子所需的光學偶極阱^［56］。2015年美國的MENG Y等設計了可以與MOT裝置集成的嵌入式SiN波導裝置，如圖7（c）所示，該裝置通過760 nm和1 064 nm光波的倏逝場將Rb原子囚禁于波導表面，再通過780 nm光波對Rb原子進行泵浦探測^［57］，實現(xiàn)集成波導與原子的近場耦合。

圖7  波導結(jié)構(gòu)束縛原子的示意

Fig. 7  The structure of the integrated waveguide for trapping atoms

集成波導原子裝置要求波導內(nèi)用于囚禁原子的紅藍失諧光的功率比較高，在波導表面獲得百μk以上的光學偶極阱，需要約幾十mW的波導光功率^［56］，實驗中難以在芯片上的波導輸入這么高的光功率，同時如此高的光功率會使得波導產(chǎn)生很大的熱量，影響光子-原子芯片的穩(wěn)定工作。為此可以利用具有周期性結(jié)構(gòu)的可對光波產(chǎn)生反射作用的光子晶體波導微腔在波導上形成共振增強光場對原子進行束縛。

由于光子晶體的諧振腔的共振波長受限于晶體的周期，腔內(nèi)很難同時存在兩個相鄰波長的共振模式，因此無法通過紅藍失諧光的倏逝場來囚禁原子，而需要通過設計特定結(jié)構(gòu)的光子晶體波導或者借助自由空間光束將原子束縛于光子晶體波導表面的近場范圍內(nèi)。美國的KIMBLE H J研究組于2013年提出使用周期性圓孔的光子晶體波導內(nèi)的光場形成光學偶極阱囚禁原子^［58］，如圖8（a）所示，設計特定的圓孔周期使藍失諧光在晶體波導上的共振波節(jié)處于空心孔的中心位置，在空心空中心具有最小光場，由于藍失諧光場對原子的作用是排斥力，從而在晶體波導的空心孔內(nèi)形成束縛原子的光學偶極阱。同時，讓調(diào)控光束在晶體波導上的共振波腹處于空心孔的中心位置，對束縛于其中的原子產(chǎn)生有效調(diào)控。此外，他們還設計了平行雙晶體波導，如圖8（b）所示，在兩晶體波導中間形成束縛原子的光學偶極阱和調(diào)控原子的光場，通過調(diào)節(jié)雙晶體波導的相位可以改變光學偶極阱和調(diào)控光場的位置和大小，在調(diào)控原子的過程中具有更好的靈活性。在此基礎上，該研究組制備了周期性鋸齒狀光子晶體波導并成功應用于原子實驗中，如圖8（c）所示，光子晶體波導兩側(cè)周期性分布的鋸齒對光場的反射作用產(chǎn)生駐波場，在波導中間鏤空的位置形成囚禁原子的光學偶極阱，同時，光子晶體波導模式的倏逝場可以與束縛原子產(chǎn)生很好的近場耦合，進行原子態(tài)的近場調(diào)控^［59］。

圖8  一維光子晶體波導束縛原子裝置

Fig. 8  The structure of the 1D photonic crystal waveguide for trapping atoms

在一個位置同時形成光學偶極阱和調(diào)控光場，需要波長和晶體周期結(jié)構(gòu)滿足嚴格的匹配條件，給實驗帶來很多局限。因此，自由空間光場被用于輔助倏逝場將原子囚禁在光子晶體波導表面，降低光子晶體的結(jié)構(gòu)要求，給實驗帶來更多操作自由度。THOMPSON J D等在研究Rb原子與光子晶體波導相互作用的實驗中通過自由空間光的輔助作用將原子囚禁在波導表面。如圖8（d）所示，首先通過原子傳送帶將冷原子從MOT系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到一維光子晶體波導表面，然后在倏逝場與自由空間光場的共同作用下將原子囚禁在波導表面近場范圍內(nèi)，進而研究Rb原子與晶體波導模式的耦合作用^［37］。

除了一維光子晶體波導，二維光子晶體結(jié)構(gòu)也被用于束縛原子，二維光子晶體可以產(chǎn)生二維光學偶極阱陣列束縛原子形成二維原子陣列。2015年KIMBLE H J研究組將束縛原子的一維孔陣光子晶體波導推向二維孔陣光子晶體結(jié)構(gòu)，獲得二維原子陣列，如圖9（a）和（b）所示，在電介質(zhì)片上分別制備周期性排列的圓孔和圓柱，在晶體結(jié)構(gòu)表面形成二維周期性分布的倏逝場，結(jié)合垂直于晶體表面的自由空間光場可以形成穩(wěn)定囚禁原子的光學偶極阱陣列，從而形成二維原子陣列^{［40， 60］}。類似地，LUKIN M D研究組通過金屬小球陣列產(chǎn)生的表面等離激元場束縛原子獲得二維原子陣列，如圖9（c）所示，二維周期性排列的納米金屬小球可以激發(fā)出表面等離激元，形成二維周期性分布的光學偶極阱陣列，每個光學偶極阱都可以束縛單原子，從而可以獲得二維原子陣列^［61］。光子晶體由于其獨特的周期性結(jié)構(gòu)，在二維和三維原子陣列在研究中具有重要應用。

圖9  二維光子晶體束縛原子示意

Fig. 9  The structure of the 2D photonic crystal waveguide for trapping atoms

光纖錐的直徑越小，傳輸模式延伸到表面的光場越多，形成的倏逝場越強，因此，光纖錐的傳輸模式與其表面的原子通過倏逝場可以發(fā)生有效的相互耦合作用^［46］。HAKUTA K研究組于2005年通過實驗觀測光纖錐表面Cs原子的自發(fā)輻射特性，如圖10（a）所示，在光纖錐表面倏逝場的作用下，原子態(tài)發(fā)生改變，隨著原子與光纖錐表面的距離減小，原子輻射到傳輸模式、自由空間速率呈指數(shù)增大^［62］。同時，光纖錐表面的原子通過對倏逝場的散射作用而影響傳輸模式，如圖10（b）所示，隨著原子與光纖錐表面的距離減小，處于基態(tài)（點線）和激發(fā)態(tài)（虛線）的原子對倏逝場的散射作用呈指數(shù)增大^［63］。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，光纖錐表面不同位置的原子之間也可以通過光纖錐傳輸模式的近場耦合而發(fā)生相互影響。如圖10（c）所示，雙原子的相對位置發(fā)生改變時，原子的輻射速率發(fā)生相應的變化^［64］。

圖10  波導表面倏逝場與原子的相互作用

Fig. 10  The illustration of the coupling between the atom and the evanescent field on the waveguide

奧地利維也納大學RAUSCHENBEUTEL A研究組將基于光纖錐的原子實驗推向了量子領域。他們通過實驗研究了光纖錐表面的Cs原子量子態(tài)的相干特性^［65］，通過原子與光纖錐的耦合作用分別實現(xiàn)集成偏振隔離器和光存儲^{［66， 67］}。2020年，該研究組實現(xiàn)光纖錐表面單個原子的捕獲和成像，為研究原子的量子特性提供更好的實驗技術^［68］。接著他們利用與光纖錐弱耦合的Cs原子實現(xiàn)光纖內(nèi)強關聯(lián)光子態(tài)的制備^［69］，通過光纖內(nèi)的光場與光纖表面的原子耦合發(fā)生正交態(tài)壓縮，從而使得時間能量糾纏的雙光子實現(xiàn)解糾纏^［70］。此外，他們還研究了光纖錐表面原子運動的量子效應和集體輻射效應^{［71， 72］}，通過原子自旋來控制光纖非互易的拉曼放大^［73］。這些研究展現(xiàn)了光纖錐表面原子獨特的量子特性，并且將原子的量子效應很好的應用于集成光調(diào)控。法國的LAURAT J研究組通過光纖錐上的原子也進行了量子特性的研究，2016年實驗演示了光纖錐表面原子形成的布拉格原子光柵對光的布拉格反射現(xiàn)象^［74］，接著實現(xiàn)光纖錐表面單原子陣列的糾纏激發(fā)，并對存儲的糾纏態(tài)進行讀取^［75］。

由于波導模式的光場主要分布在波導內(nèi)部，延伸到表面的倏逝場很少，這給集成波導囚禁原子的實驗帶來了困難^{［76， 77］}。隨著集成波導表面囚禁原子的技術逐漸走向成熟，可以實現(xiàn)波導表面的單原子囚禁，集成原子芯片的量子特性研究也得到開展。2020年美國KANNAN B等通過集成波導囚禁原子的裝置實現(xiàn)原子量子比特和波導模式的耦合，以及不同位置原子量子比特之間的耦合^［78］。2021年美國哈佛大學研究組通過集成量子波導與原子的耦合，實現(xiàn)波導表面上兩個單原子之間的糾纏制備、快速無損原子態(tài)讀取和原子比特的全量子控制^［79］。

由于光子晶體內(nèi)周期性的結(jié)構(gòu)可以形成共振腔，共振增強場和原子之間可以發(fā)生很強的相互耦合作用^［80］。因此，各種各樣的光子晶體被用于與原子相互耦合，包括周期性圓孔光子晶體、周期性鋸齒狀光子晶體、周期性折射率分布的光子晶體以及超導光子晶體等。KIMBLE H J研究組通過一維周期性圓孔光子晶體與原子的相互作用做了一系列研究工作，包括波導上原子的超輻射現(xiàn)象^［81］，用波導上的原子陣列模擬量子多體^［82］，原子之間在晶體能級邊帶發(fā)生耦合作用的現(xiàn)象^［83］。TIECKE T G等對光子晶體波導和原子也進行了相關研究，通過原子與光子晶體波導模式的強耦合作用實現(xiàn)原子對光子相位的調(diào)控，演示了集成光量子相位控制器的功能^［84］。光子晶體波導與原子表現(xiàn)出很好的相互耦合特性和量子特性。

2020年美國SAMUTPRAPHOOT P等設計折射率周期性分布的光子晶體波導與原子耦合^［85］，光子晶體波導的折射率周期性分布形成諧振腔，其共振模式的倏逝場可以與晶體表面的原子發(fā)生相互耦合作用。由于采用自由空間激光囚禁原子可以自由控制每個單原子的位置，因此觀測單原子之間通過光子晶體波導腔模式的近場耦合而產(chǎn)生強耦合?；诖藢嶒炑b置，研究了兩個獨立原子之間的糾纏制備、快速無損態(tài)讀取和原子比特的全量子控制^［79］。

在研究微納結(jié)構(gòu)與原子的近場相互作用過程中，不同的微結(jié)構(gòu)既有其獨特的優(yōu)勢又存在局限性。比如光纖錐可以提供很強的表面倏逝場用于原子囚禁和調(diào)控，但是存在機械振動限制了原子態(tài)的調(diào)控精度。集成波導雖然具有很好的穩(wěn)定性，但是表面倏逝場強度有限，也給實驗帶來難度。光子晶體波導既可以提供增強的倏逝場又具有集成穩(wěn)定性，但是對晶體結(jié)構(gòu)要求很嚴格，實驗靈活性受限。因此迫切需要一種微結(jié)構(gòu)，既具以上各結(jié)構(gòu)的優(yōu)點同時又可以克服其缺點。圓形微環(huán)腔不僅支持高品質(zhì)的回音壁模式，對光場模式具有共振增強作用，而且自由光譜范圍小，腔內(nèi)可以同時滿足紅藍失諧光的共振，在腔表面形成穩(wěn)定的光學偶極阱囚禁原子，同時腔模式通過倏逝場對原子態(tài)產(chǎn)生有效調(diào)控。圓形微環(huán)腔因在束縛和調(diào)控原子中的獨特優(yōu)勢而受到廣泛關注。

微球腔由于制作工藝簡單，可以達到很高的Q值，在微腔表面形成很強的光場，因此最早被應用于與原子相互作用。由于微腔表面的倏逝場比較難形成穩(wěn)定囚禁原子的光學偶極阱，一般通過自由空間光場輔助作用將原子囚禁在微腔表面，同時也提高了控制原子位置的自由度。美國KIMBLE H J研究組首先于1994年分析了繞微球腔運動的原子的物質(zhì)波特性^［89］，接著研究了微球腔與原子的相互作用^［90］。隨著加工技術的發(fā)展，微環(huán)腔的Q值可以達到非常高，原子與微環(huán)腔的耦合研究也隨之開展。2006年，KIMBLE H J研究組將單個Cs原子與微環(huán)腔光場模式進行耦合^［86］，如圖11（a）所示，在微環(huán)腔上方通過冷卻激光獲得冷原子，并將冷原子傳送到微環(huán)腔表面與腔模式耦合，從而改變腔的透過譜。2018年以色列BECHLER O等通過Rb原子與微球腔的耦合裝置，如圖11（b）所示，在單光子拉曼作用下使得兩個光子模式與原子雙基態(tài)之間產(chǎn)生確定性干涉，實現(xiàn)單個原子態(tài)與光子態(tài)之間的量子比特轉(zhuǎn)換^［88］。

圖11  各種與原子耦合的微腔結(jié)構(gòu)

Fig. 11  The structure of the microcavity for coupling with the atoms

回音壁微瓶腔具有與微球腔類似的結(jié)構(gòu)，如圖11（c）所示，可以與原子產(chǎn)生相互耦合作用，而且具有更好的穩(wěn)定性。2013年奧地利TAUSCHENBEUTEL A研究組通過回音壁微瓶腔與⁸⁵Rb的耦合作用進行了一系列研究工作，研究了光場的縱向分量對Rb原子和微瓶腔耦合的影響^［87］，通過⁸⁷Rb原子與微瓶腔的強耦合作用使微瓶腔耦合的光纖內(nèi)單光子之間產(chǎn)生非線性π相移，實現(xiàn)高保真度糾纏光的制備^［91］。2016年，該研究組通過控制Rb原子態(tài)來改變微瓶圓腔透光的方向，實現(xiàn)集成光纖的量子光學環(huán)形器^［92］。早期的實驗研究中，大多是采用自由下落的原子與回音壁腔相互作用，直至2021年，TAUSCHENBEUTEL A研究組通過腔表面反射的紅失諧激光實現(xiàn)微球表面單個⁸⁵Rb原子的囚禁，觀測到了原子與微瓶腔的耦合作用產(chǎn)生的真空拉比劈裂現(xiàn)象^［93］，在微腔與單原子的可控耦合作用方面邁出了重要一步。

微球、微瓶腔等結(jié)構(gòu)雖然可以制備于集成芯片上，但很難與其他集成器件兼容，因此研究人員也在追求在平面芯片上的微腔上原子的囚禁和操控。根據(jù)電場的偏振方向，微環(huán)腔內(nèi)共振的模式有TE和TM模，其基模的場分布如圖12（a）。TM模式比TE模式具有更多的場分布在波導表面，形成的倏逝場與原子發(fā)生更強的相互作用，因此在實驗中，主要考慮TM模式與原子的相互作用。由于微環(huán)腔內(nèi)傳輸模式是圓周運動^［94］，具有離心力，因此腔波導表面的倏逝場不是對稱分布，這對束縛原子很不利，需要很大的腔模式強度才能夠形成穩(wěn)定的光纖偶極阱。在腔波導內(nèi)，除了基膜TM0還有高階模式，其中TM1模式在波導表面的倏逝場分布是兩邊強中間弱，正好與基膜的倏逝場分布（中間強兩邊弱）形成互補趨勢。因此，在采用紅藍失諧TM0模式倏逝場囚禁腔波導表面原子的時候，通過引入高階TM1模式來補償TM0模式受離心力影響產(chǎn)生的偏移，提高有效勢阱深度，從而降低囚禁原子對腔模式強度的要求^［21］，為微環(huán)腔波導表面近場束縛原子提供可行的實驗方案。

圖12  集成微環(huán)腔與原子耦合示意

Fig. 12  The illustration of the coupling between the integrated microring resonator with the atoms

實驗中，為了便于傳送帶將冷原子從MOT轉(zhuǎn)移到微環(huán)腔波導表面，美國HUNG C L研究組設計了基于藍寶石基底的SiN微環(huán)腔的原子芯片，如圖12（b）。藍寶石對可見光透明，激光可以從各個方向入射到波導表面形成原子傳送帶，將冷原子導入到腔波導表面。腔波導表面的紅藍失諧倏逝場對原子的共同作用力可以克服范德瓦爾斯力形成穩(wěn)定的光學偶極阱，將原子囚禁于距離波導表面約100 nm的近場位置^［95］。接著，實驗制備了多個微環(huán)腔串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，并分析了該結(jié)構(gòu)與Cs原子的耦合作用^［96］。2021年該課題組改進了在微環(huán)腔波導表面實現(xiàn)冷原子的近場囚禁的方案，如圖12（c）所示，通過垂直于波導表面的紅失諧光將原子傳輸?shù)讲▽П砻妫俳Y(jié)合波導內(nèi)藍失諧光的倏逝場將原子囚禁在波導表面^［34］。由于微環(huán)腔采用固體基底，具有很好的穩(wěn)定性和可集成性，因此，該實驗裝置在原子芯片中具有很好的可擴展性和應用前景。