集成光子-原子芯片的研究進(jìn)展

1、集成光子-原子芯片的研究進(jìn)展原子與光子的相互作用可以實(shí)現(xiàn)量子比特信息的讀取和存儲(chǔ)，在量子信息處理中具有重要的應(yīng)用前景。近年來(lái)圍繞著單原子的囚禁、單原子陣列的排序以及原子量子比特的實(shí)驗(yàn)取得了一系列重要進(jìn)展，1-4，推動(dòng)了原子在量子信息處理中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的原子物理研究與光學(xué)密不可分，無(wú)論是原子的外部自由度還是內(nèi)部自由度的控制和讀取都需要光的參與。一方面，通過(guò)激光冷卻技術(shù)和激光偶極阱技術(shù)，可以基于空間光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的外部自由度的有效操控，進(jìn)而減小原子系綜的平均速度、實(shí)現(xiàn)原子的長(zhǎng)時(shí)間囚禁、實(shí)現(xiàn)確定性原子的輸運(yùn)、甚至調(diào)控原子的物質(zhì)波并實(shí)現(xiàn)原子物質(zhì)波干涉等目標(biāo)5，6；另一方面，光場(chǎng)與原子的相互作用是實(shí)現(xiàn)原

2、子的內(nèi)部自由度，即原子的軌道能級(jí)躍遷、精細(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)、初始化、操控和讀出的必要手段7-9。然而，絕大部分冷原子系統(tǒng)都包含有激光冷卻系統(tǒng)、原子的偶極阱系統(tǒng)、原子的內(nèi)態(tài)操控和探測(cè)系統(tǒng)。這些原子系統(tǒng)具有體積龐大、質(zhì)量大的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中面臨著一系列困難。因此，原子系統(tǒng)的微型化和集成化成為一種趨勢(shì)。隨著納米加工技術(shù)的發(fā)展，集成光學(xué)得到了迅速發(fā)展10，11，為芯片上集成冷原子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一種全芯片集成的光子-原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了技術(shù)支撐。通過(guò)芯片上的微納結(jié)構(gòu)可以構(gòu)筑多樣化的空間光場(chǎng)分布12-14，還可以與傳統(tǒng)光電子器件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多通道、高速和并行的光場(chǎng)調(diào)控并用于原子的內(nèi)外態(tài)操控。這種基于集成光學(xué)微結(jié)

3、構(gòu)的光子-原子芯片不僅具有尺寸小、功耗低、束縛強(qiáng)、勢(shì)阱形狀多樣等優(yōu)勢(shì)，還能夠極大的增強(qiáng)光與原子的相互作用。利用芯片上微納光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)束縛作用，可以降低激發(fā)和操控原子所需的激光功率，還可以有效地調(diào)控真空光場(chǎng)的態(tài)密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高效率的光子-原子量子糾纏、量子存儲(chǔ)和讀取15。因此，光學(xué)芯片與原子的結(jié)合提供了一種獨(dú)特而新穎的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子物質(zhì)波、原子內(nèi)部量子態(tài)、原子-光子量子糾纏等量子資源的高效制備和調(diào)控，從而有望用于量子計(jì)算、量子傳感等領(lǐng)域。集成光子-原子芯片的發(fā)展起源于20世紀(jì)90年代，OVCHINNIKOV Y B等提出和驗(yàn)證了利用表面倏逝場(chǎng)囚禁原子，為集成微納結(jié)構(gòu)束縛原子提供

4、理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)16-17。原子冷卻系統(tǒng)的微型化和集成化使得原子能夠囚禁在波導(dǎo)表面附近以及實(shí)現(xiàn)與波導(dǎo)模式的耦合18。光子-原子芯片作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，除了原子之外，還需要具備光源、探測(cè)器、控制器等功能器件。盡管這些功能器件已經(jīng)在各種集成光學(xué)芯片平臺(tái)上得到了充分的發(fā)展，如何將這些功能器件系統(tǒng)地集成到光子-原子芯片上還處于早期研究階段19。近年來(lái)發(fā)展的基于藍(lán)寶石基底微腔的光子-原子芯片，由于其可以與冷卻激光、片上激光器、放大器、分束器和超導(dǎo)探測(cè)器等集成，有望成為實(shí)用型光子-原子芯片。本文將對(duì)集成光子-原子芯片的技術(shù)進(jìn)行綜述和展望。光子-原子芯片的研究可以劃分為兩個(gè)研究方向，如圖1。首先通過(guò)芯片集成磁

5、光阱（Magneto-optical Trap， MOT）系統(tǒng)對(duì)原子進(jìn)行冷卻和束縛18，第一個(gè)方向?yàn)槔眯酒系奈⒓{光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)片內(nèi)波導(dǎo)模式與自由空間光場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，從而基于片外自由空間光場(chǎng)對(duì)原子進(jìn)行囚禁、態(tài)操控和讀出20。第二個(gè)方向?yàn)槿系募?，通過(guò)原子傳送帶將原子從自由空間轉(zhuǎn)移到芯片表面，再借助芯片上微納結(jié)構(gòu)的倏逝場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的近場(chǎng)囚禁、激發(fā)和探測(cè)21，以及實(shí)現(xiàn)高效的單光子-單原子界面用于潛在的量子信息處理器件。在過(guò)去的十幾年，這兩個(gè)研究方向取得了一系列重要進(jìn)展，如圖2。按照這兩個(gè)研究方向，首先介紹基于片上自由空間光場(chǎng)的光子-原子芯片技術(shù)，包括集成MOT系統(tǒng)對(duì)原子的冷卻和自由空間光場(chǎng)對(duì)原子的

6、囚禁與輸運(yùn)，接著介紹基于近場(chǎng)的光子-原子芯片技術(shù)，包括不同微結(jié)構(gòu)表面近場(chǎng)捕獲原子和近場(chǎng)與原子態(tài)的相互耦合作用，并重點(diǎn)介紹微腔與原子的相互作用，最后進(jìn)行總結(jié)和展望。圖1集成光子-原子芯片技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1The illustration of integrated photon-atom chip圖2光子-原子芯片的重要發(fā)展歷程Fig. 2The key demonstrations in photon-atom chip1 基于自由空間光場(chǎng)的光子-原子芯片基于自由空間光場(chǎng)的光子-原子芯片主要是基于光學(xué)芯片實(shí)現(xiàn)MOT所需的特定偏振和方向的空間光場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)距離芯片表面幾十微米到幾毫

7、米位置的原子團(tuán)的激光冷卻，進(jìn)一步基于空間聚焦光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的精細(xì)操控。如圖1（b）所示，自由空間光場(chǎng)的光子-原子芯片的研究途徑主要分為兩步：首先通過(guò)芯片上集成微納結(jié)構(gòu)和自由空間入射激光光束實(shí)現(xiàn)冷原子團(tuán)，然后利用片內(nèi)模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模場(chǎng)與芯片附近聚焦光場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，從而形成光學(xué)偶極阱對(duì)原子進(jìn)行囚禁，并通過(guò)聚焦光束實(shí)現(xiàn)高效的原子內(nèi)態(tài)操控和讀出。基于自由空間光場(chǎng)的光子-原子芯片在自由空間中囚禁原子，不僅可以更好地與傳統(tǒng)原子冷卻系統(tǒng)兼容，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和集成度，而且還可以將原子態(tài)信息與集成波導(dǎo)模式進(jìn)行對(duì)接。此外，對(duì)原子的尋址可以通過(guò)衍射光束進(jìn)行靈活控制，具有很好的空間自由度，有利于開(kāi)展多個(gè)單原子和可調(diào)

8、控原子的實(shí)驗(yàn)。1.1集成原子冷卻系統(tǒng)將MOT系統(tǒng)小型化的嘗試自冷原子領(lǐng)域早期就開(kāi)始了。其中，韓國(guó)LEE K I等于1996年提出基于空心錐反射鏡的MOT微系統(tǒng)22，如圖3（a）所示，空心錐結(jié)構(gòu)的四個(gè)三角形反射鏡的兩組反射光和正入射反射的一組光形成相互垂直的三對(duì)冷卻激光，可以將原子冷卻和束縛在中心交叉點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)可以置于真空腔中，與反亥姆霍茲線圈組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的冷卻和束縛。隨后數(shù)十年中，基于空心錐反射鏡的磁光阱結(jié)構(gòu)被不斷改進(jìn)和優(yōu)化。2022年，英國(guó)的ARNOLD A S等首次證明了四面體構(gòu)型的光場(chǎng)同樣可以產(chǎn)生有效的三維束縛和冷卻，并利用三反射鏡的空心錐結(jié)構(gòu)成功抓到了冷原子團(tuán)23。如圖3（b）

9、所示，由三個(gè)反射鏡的反射光與入射光形成冷卻光場(chǎng)，一定程度上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2022年他們將該微系統(tǒng)的光路部分平面化為三塊拼接的衍射光柵24，如圖3（c）所示，并于2022年和英國(guó)HINDS E A等合作，將三塊衍射光柵加工在一塊完整的硅基光柵芯片上，實(shí)現(xiàn)了基于光柵芯片的磁光阱19，如圖3（d）。圖3集成MOT系統(tǒng)圖Fig. 3The illustration of MOT system此后，基于光柵磁光阱的研究和應(yīng)用逐漸展開(kāi)18，24-27。例如，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的BARKER D S等將光柵磁光阱與塞曼減速器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了Li原子的光柵磁光阱28，如圖3（e）。中國(guó)計(jì)量院也開(kāi)展了相關(guān)的

10、研究，實(shí)現(xiàn)了Rb原子的光柵磁光阱29。最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)ZOU C L研究組則首次突破了磁場(chǎng)線圈的平面化，實(shí)現(xiàn)了基于雙芯片平面集成的磁光阱系統(tǒng)18。如圖3（f）所示，線圈芯片被加工在一塊平面芯片上，并與光柵芯片一同放置于真空系統(tǒng)之外。將一束包含有冷卻和回泵光的光束垂直入射到光柵芯片后，產(chǎn)生MOT所需的入射光和三束衍射光，結(jié)合下方磁場(chǎng)芯片產(chǎn)生的四極磁場(chǎng)共同作用，將原子冷卻并束縛于真空腔內(nèi)位于芯片上方的位置。1.2片上自由空間光場(chǎng)束縛原子在利用多普勒冷卻獲得芯片附近的冷原子團(tuán)后，還可以進(jìn)一步通過(guò)光偶極阱囚禁原子系綜或者單原子，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的長(zhǎng)時(shí)間俘獲，從而實(shí)現(xiàn)具備更長(zhǎng)相干時(shí)間的原子外態(tài)或內(nèi)態(tài)。同

11、時(shí)，還需要在光子-原子芯片上建立原子與集成光學(xué)波導(dǎo)的有效相互作用接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的光場(chǎng)模式與自由空間聚焦光場(chǎng)之間的有效轉(zhuǎn)換，借助集成芯片上可擴(kuò)展的光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)原子外態(tài)和內(nèi)態(tài)的有效操控和探測(cè)。首先，光柵是一類被芯片廣泛采用的自由空間到波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換的器件。圖4（a）是理論提出的一種光子-原子芯片架構(gòu)，其基于四個(gè)波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)囚禁和探測(cè)單原子20。其中對(duì)角線上的兩個(gè)光柵的衍射光束干涉形成光學(xué)偶極阱可以對(duì)單個(gè)中性冷原子進(jìn)行囚禁，另兩個(gè)光柵可以用于對(duì)囚禁的原子態(tài)進(jìn)行泵浦和探測(cè)，從而在單個(gè)芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)單原子的囚禁、泵浦和探測(cè)。類似地，WANG M等通過(guò)光纖端面的表面等離激元光柵衍射產(chǎn)生的光束在表面上方幾

12、十微米處干涉產(chǎn)生光學(xué)偶極阱陣列，可以對(duì)原子產(chǎn)生很好的束縛作用30。同樣的器件也已經(jīng)在離子阱的研究中發(fā)揮了重要的作用。美國(guó)的MEHTA K K等通過(guò)集成光柵的衍射光束與離子的相互作用做了一系列工作，通過(guò)兩兩并聯(lián)的光柵演示離子比特的尋址31。2022年，該研究組的NIFFENEGGER R J等演示了基于表面電極束縛離子的芯片，通過(guò)集成波導(dǎo)和光柵耦合器傳遞電離激光、冷卻激光、相干操作和量子態(tài)制備與探測(cè)的激光32。這些研究進(jìn)展證實(shí)了光柵衍射元件在光子-原子芯片上的應(yīng)用潛力。圖4集成光學(xué)芯片上產(chǎn)生自由空間束縛光場(chǎng)的裝置Fig. 4The generation of free space light f

13、or trapping in the integrated optical chip除了衍射光柵，還有很多微納光學(xué)結(jié)構(gòu)可以用于連接芯片與自由空間，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式到自由空間聚焦光場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。例如，GRANADOS E等通過(guò)集成金剛石拉曼共振激光器在芯片中心的上方形成匯聚的激光束33，如圖4（b）所示，具有傾斜端面的激光器可以將激光沿著一定角度衍射到自由空間中?；诖私Y(jié)構(gòu)，通過(guò)選擇合適的激光波長(zhǎng)，可以在芯片上方形成干涉光場(chǎng)產(chǎn)生光學(xué)偶極阱對(duì)原子進(jìn)行囚禁和激發(fā)探測(cè)34。圖4（c）為另外一種可行的結(jié)構(gòu)，YU S等通過(guò)集成反射凹面鏡將集成波導(dǎo)模式高效轉(zhuǎn)換至自由空間，可以在芯片表面幾十微米處產(chǎn)生雙聚焦高斯光束的

14、干涉場(chǎng)35。類似地，波導(dǎo)模式也可以通過(guò)集成微透鏡形成自由空間的匯聚光束35，如圖4（d）。這兩種方法均可以擴(kuò)展至中性原子的各個(gè)工作波長(zhǎng)，產(chǎn)生的匯聚光束可以用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)偶極阱、原子內(nèi)態(tài)操控和高效率原子熒光收集。最近，HSU T W等將超表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于原子實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)超表面結(jié)構(gòu)在芯片上方產(chǎn)生聚焦光場(chǎng)對(duì)原子進(jìn)行囚禁和探測(cè)，由于超表面結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生高數(shù)值孔徑的光束36，因此，可以提高原子輻射效率，在集成原子芯片中具有重要應(yīng)用前景。2 基于近場(chǎng)的光子-原子芯片2.1從自由空間到原子芯片上的原子傳送波導(dǎo)模式與原子態(tài)如果要通過(guò)倏逝場(chǎng)直接相互耦合，原子與波導(dǎo)表面之間的距離必須小于波長(zhǎng)?，F(xiàn)有的原子技術(shù)主要是通過(guò)磁

15、光阱在自由空間中獲得冷原子團(tuán)，因此在基于近場(chǎng)的光子-原子芯片中需要通過(guò)原子傳送帶將冷原子團(tuán)從自由空間傳送到波導(dǎo)表面與倏逝場(chǎng)耦合。原子傳送帶首先將原子囚禁在束縛光場(chǎng)形成的光學(xué)偶極阱陣列內(nèi)，然后通過(guò)干涉光的頻率或者相位差來(lái)移動(dòng)束縛光場(chǎng)的位置，從而帶動(dòng)所囚禁原子運(yùn)動(dòng)。近幾年在有關(guān)集成光子-原子芯片的實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了各種各樣的原子傳送帶，將原子從自由空間MOT系統(tǒng)傳送到集成芯片上?；陔妱?dòng)反射鏡的原子傳送帶是通過(guò)電動(dòng)反射鏡改變光束的反射角來(lái)控制束縛原子的位置實(shí)現(xiàn)原子的傳送。該裝置被LUKIN M D研究組應(yīng)用于研究原子與光子晶體波導(dǎo)相互作用的實(shí)驗(yàn)中37。如圖5（a）所示，非球面透鏡產(chǎn)生的聚焦光場(chǎng)形成光學(xué)

16、偶極阱，其位置可以通過(guò)改變電動(dòng)反射鏡的角度進(jìn)行控制。首先將聚焦光場(chǎng)置于 MOT中，束縛于聚焦光場(chǎng)形成的光學(xué)偶極阱對(duì)冷原子進(jìn)行束縛，接著改變振鏡的角度將聚焦光場(chǎng)移動(dòng)到光子晶體表面，被束縛的冷原子將隨之移動(dòng)到光子晶體表面，完成原子傳送。圖5原子傳送帶實(shí)驗(yàn)示意Fig. 5The illustration of the atomic conveyor belt兩束相對(duì)傳輸?shù)墓馐缮娈a(chǎn)生駐波場(chǎng)，當(dāng)兩束光的頻率存在微小失諧時(shí)，駐波場(chǎng)將發(fā)生縱向移動(dòng)，頻率小失諧干涉光場(chǎng)可以用于原子傳送帶對(duì)原子的位置進(jìn)行控制。如果干涉光束為原子的紅失諧光，干涉駐波場(chǎng)的波腹將形成可以束縛原子的光學(xué)偶極阱。被束縛于波腹內(nèi)的原子將隨

17、著駐波場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)原子的傳送38，39。這種基于頻率小失諧干涉光的原子傳送帶可以連續(xù)和自由控制原子位置，已被廣泛應(yīng)用于光子-原子芯片實(shí)驗(yàn)中40。BURGERS A P等在研究原子與鋸齒形光子晶體波導(dǎo)相互耦合的實(shí)驗(yàn)中采用頻率小失諧的原子傳送帶將處于MOT中的冷原子不斷傳送到鋸齒形光子晶體波導(dǎo)上41。如圖5（b）所示，具有一定頻率失諧的兩束Cs原子紅失諧光束干涉產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的駐波場(chǎng)，被束縛于駐波波腹內(nèi)的冷原子隨著波包不斷運(yùn)動(dòng)而到達(dá)光子晶體波導(dǎo)。2022年美國(guó)HUNG C L研究組通過(guò)控制干涉光束的頻率差將冷原子從自由空間確定性地傳送到集成波導(dǎo)表面42。如圖5（c）所示，垂直于波導(dǎo)表面的兩束聚焦光束

18、干涉產(chǎn)生駐波場(chǎng)，在每個(gè)波腹的位置形成束縛原子的光學(xué)偶極阱，當(dāng)兩干涉光束的頻率差為小失諧時(shí)，駐波場(chǎng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而帶動(dòng)束縛于波腹內(nèi)的原子從自由空間移動(dòng)到波導(dǎo)表面，當(dāng)兩干涉光束的頻率差為大失諧時(shí)，駐波場(chǎng)保持不動(dòng)，被束縛的原子也隨之停止移動(dòng)。該方法不僅可以將單原子傳送到波導(dǎo)表面確定的位置，還可以通過(guò)多個(gè)傳送通道實(shí)現(xiàn)多個(gè)單原子陣列的傳送，在波導(dǎo)表面形成單原子陣列。2.2片上近場(chǎng)束縛原子2.2.1波導(dǎo)結(jié)構(gòu)電介質(zhì)表面的倏逝場(chǎng)強(qiáng)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(zhǎng)。處于波導(dǎo)表面的倏逝場(chǎng)與原子偶極矩相互作用可以對(duì)原子產(chǎn)生力的作用，選擇合適的倏逝場(chǎng)波長(zhǎng)可以克服范德瓦爾斯力形成光學(xué)偶極阱將原子束縛

19、在電介質(zhì)表面的近場(chǎng)范圍內(nèi)43-45。處于電介質(zhì)表面近場(chǎng)范圍內(nèi)的原子可以通過(guò)倏逝場(chǎng)與波導(dǎo)模式直接相互作用，在原子態(tài)調(diào)控中具有重要優(yōu)勢(shì)，因此，近場(chǎng)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(chǎng)束縛原子16，并于1997年通過(guò)三角棱鏡全反射產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)將原子成功束縛于波導(dǎo)表面17，為近場(chǎng)束縛原子邁出了重要一步。此后，在研究近場(chǎng)光子-原子芯片的過(guò)程中，出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)以產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)分布的倏逝場(chǎng)，形成可以穩(wěn)定束縛原子的光學(xué)偶極阱，推動(dòng)著近場(chǎng)光子-原子芯片的發(fā)展。接下來(lái)分別介紹光纖錐、集成波導(dǎo)和光子晶體波導(dǎo)表面近場(chǎng)束縛原子的研究工作。當(dāng)光纖被拉得很細(xì)的時(shí)

20、候，光纖內(nèi)的光場(chǎng)將延伸到光纖外形成很強(qiáng)的倏逝場(chǎng)，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(chǎng)。HAKUTA K研究組于2022年提出使用光纖錐的紅藍(lán)失諧光的倏逝場(chǎng)來(lái)束縛原子44。光場(chǎng)與原子的偶極矩相互作用對(duì)原子產(chǎn)生偶極力，如圖6（a）所示，在光纖內(nèi)同時(shí)傳輸紅失諧和藍(lán)失諧光，紅失諧光的倏逝場(chǎng)對(duì)原子的偶極力起吸引到光纖表面的作用，而藍(lán)失諧光的倏逝場(chǎng)對(duì)原子的偶極力起排斥作用。調(diào)整合適的紅藍(lán)失諧光比例，可以克服光纖表面對(duì)原子的范德瓦爾斯力，使原子受力達(dá)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(chǎng)模式面積很大，對(duì)原子產(chǎn)生很強(qiáng)的相互

21、作用，光纖錐表面的倏逝場(chǎng)足以對(duì)原子能級(jí)進(jìn)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(cè)。2022年，浙江大學(xué)TONG L研究組對(duì)光纖錐表面紅藍(lán)失諧光束縛原子也進(jìn)行了研究，分析了不同波導(dǎo)模式倏逝場(chǎng)束縛原子的情況51。2022年VETSCH E等通過(guò)光纖錐同時(shí)實(shí)現(xiàn)了原子的束縛、態(tài)激發(fā)和熒光探測(cè)，如圖6（b）所示，用于束縛原子的紅藍(lán)失諧光和泵浦光被同時(shí)導(dǎo)入光纖錐，由于Purcell增強(qiáng)效應(yīng)，原子發(fā)出的大部分熒光可以耦合到光纖錐而被探測(cè)器所檢測(cè)52。隨后他們還演示通過(guò)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(shí)現(xiàn)偏振色散光接口，以用于原子數(shù)的無(wú)損測(cè)量53。圖6光纖錐表面倏逝場(chǎng)囚

22、禁原子示意Fig. 6The illustration of atom trap with the evanescent field on the fiber taper基于光纖錐的原子實(shí)驗(yàn)，原子與光纖錐模式可以通過(guò)倏逝場(chǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合作用。但是光纖錐在光場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并且隨著光纖錐內(nèi)光強(qiáng)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(shí)現(xiàn)量子比特。為了克服機(jī)械振動(dòng)對(duì)原子的影響，固定在芯片上的集成波導(dǎo)被研究并應(yīng)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(dǎo)內(nèi)的傳輸模式可以延伸到波導(dǎo)表面形成倏逝場(chǎng)，倏逝場(chǎng)形成的光學(xué)偶極阱可以將原子囚禁于波導(dǎo)表面的近場(chǎng)位置處54。

23、2000年BARNETT A H等提出使用集成波導(dǎo)內(nèi)紅藍(lán)失諧光來(lái)束縛Cs原子55。如圖7（a）所示，矩形直波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)募t藍(lán)失諧偏振模式在波導(dǎo)表面存在倏逝場(chǎng)，倏逝場(chǎng)與原子偶極矩相互作用產(chǎn)生偶極力形成光學(xué)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(dǎo)表面的近場(chǎng)范圍內(nèi)。光學(xué)偶極阱的結(jié)構(gòu)決定于光場(chǎng)的分布，通過(guò)設(shè)計(jì)不同組合的集成波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)偶極阱。如圖7（b）所示，不同數(shù)量和排列的波導(dǎo)可以產(chǎn)生不同空間分布的光場(chǎng)，以滿足不同場(chǎng)合中囚禁原子所需的光學(xué)偶極阱56。2022年美國(guó)的MENG Y等設(shè)計(jì)了可以與MOT裝置集成的嵌入式SiN波導(dǎo)裝置，如圖7（c）所示，該裝置通過(guò)760 nm和1 0

24、64 nm光波的倏逝場(chǎng)將Rb原子囚禁于波導(dǎo)表面，再通過(guò)780 nm光波對(duì)Rb原子進(jìn)行泵浦探測(cè)57，實(shí)現(xiàn)集成波導(dǎo)與原子的近場(chǎng)耦合。圖7波導(dǎo)結(jié)構(gòu)束縛原子的示意Fig. 7The structure of the integrated waveguide for trapping atoms2.2.2光子晶體結(jié)構(gòu)集成波導(dǎo)原子裝置要求波導(dǎo)內(nèi)用于囚禁原子的紅藍(lán)失諧光的功率比較高，在波導(dǎo)表面獲得百k以上的光學(xué)偶極阱，需要約幾十mW的波導(dǎo)光功率56，實(shí)驗(yàn)中難以在芯片上的波導(dǎo)輸入這么高的光功率，同時(shí)如此高的光功率會(huì)使得波導(dǎo)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(duì)光波產(chǎn)生反

25、射作用的光子晶體波導(dǎo)微腔在波導(dǎo)上形成共振增強(qiáng)光場(chǎng)對(duì)原子進(jìn)行束縛。由于光子晶體的諧振腔的共振波長(zhǎng)受限于晶體的周期，腔內(nèi)很難同時(shí)存在兩個(gè)相鄰波長(zhǎng)的共振模式，因此無(wú)法通過(guò)紅藍(lán)失諧光的倏逝場(chǎng)來(lái)囚禁原子，而需要通過(guò)設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)的光子晶體波導(dǎo)或者借助自由空間光束將原子束縛于光子晶體波導(dǎo)表面的近場(chǎng)范圍內(nèi)。美國(guó)的KIMBLE H J研究組于2022年提出使用周期性圓孔的光子晶體波導(dǎo)內(nèi)的光場(chǎng)形成光學(xué)偶極阱囚禁原子58，如圖8（a）所示，設(shè)計(jì)特定的圓孔周期使藍(lán)失諧光在晶體波導(dǎo)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(chǎng)，由于藍(lán)失諧光場(chǎng)對(duì)原子的作用是排斥力，從而在晶體波導(dǎo)的空心孔內(nèi)形成束縛原子的光學(xué)偶

26、極阱。同時(shí)，讓調(diào)控光束在晶體波導(dǎo)上的共振波腹處于空心孔的中心位置，對(duì)束縛于其中的原子產(chǎn)生有效調(diào)控。此外，他們還設(shè)計(jì)了平行雙晶體波導(dǎo)，如圖8（b）所示，在兩晶體波導(dǎo)中間形成束縛原子的光學(xué)偶極阱和調(diào)控原子的光場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)雙晶體波導(dǎo)的相位可以改變光學(xué)偶極阱和調(diào)控光場(chǎng)的位置和大小，在調(diào)控原子的過(guò)程中具有更好的靈活性。在此基礎(chǔ)上，該研究組制備了周期性鋸齒狀光子晶體波導(dǎo)并成功應(yīng)用于原子實(shí)驗(yàn)中，如圖8（c）所示，光子晶體波導(dǎo)兩側(cè)周期性分布的鋸齒對(duì)光場(chǎng)的反射作用產(chǎn)生駐波場(chǎng)，在波導(dǎo)中間鏤空的位置形成囚禁原子的光學(xué)偶極阱，同時(shí)，光子晶體波導(dǎo)模式的倏逝場(chǎng)可以與束縛原子產(chǎn)生很好的近場(chǎng)耦合，進(jìn)行原子態(tài)的近場(chǎng)調(diào)控59。圖

27、8一維光子晶體波導(dǎo)束縛原子裝置Fig. 8The structure of the 1D photonic crystal waveguide for trapping atoms在一個(gè)位置同時(shí)形成光學(xué)偶極阱和調(diào)控光場(chǎng)，需要波長(zhǎng)和晶體周期結(jié)構(gòu)滿足嚴(yán)格的匹配條件，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很多局限。因此，自由空間光場(chǎng)被用于輔助倏逝場(chǎng)將原子囚禁在光子晶體波導(dǎo)表面，降低光子晶體的結(jié)構(gòu)要求，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)更多操作自由度。THOMPSON J D等在研究Rb原子與光子晶體波導(dǎo)相互作用的實(shí)驗(yàn)中通過(guò)自由空間光的輔助作用將原子囚禁在波導(dǎo)表面。如圖8（d）所示，首先通過(guò)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(dǎo)表面，然后

28、在倏逝場(chǎng)與自由空間光場(chǎng)的共同作用下將原子囚禁在波導(dǎo)表面近場(chǎng)范圍內(nèi)，進(jìn)而研究Rb原子與晶體波導(dǎo)模式的耦合作用37。除了一維光子晶體波導(dǎo)，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(xué)偶極阱陣列束縛原子形成二維原子陣列。2022年KIMBLE H J研究組將束縛原子的一維孔陣光子晶體波導(dǎo)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(chǎng)，結(jié)合垂直于晶體表面的自由空間光場(chǎng)可以形成穩(wěn)定囚禁原子的光學(xué)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(guò)金屬小

29、球陣列產(chǎn)生的表面等離激元場(chǎng)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(xué)偶極阱陣列，每個(gè)光學(xué)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(dú)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(yīng)用。圖9二維光子晶體束縛原子示意Fig. 9The structure of the 2D photonic crystal waveguide for trapping atoms2.3倏逝場(chǎng)與原子態(tài)的相互耦合作用波導(dǎo)模式延伸到表面光場(chǎng)形成指數(shù)衰減分布的倏逝場(chǎng)，倏逝場(chǎng)可以作用于囚禁在近場(chǎng)的原子，實(shí)現(xiàn)原子與波

30、導(dǎo)模式的直接耦合作用。波導(dǎo)模式可以通過(guò)倏逝場(chǎng)對(duì)原子態(tài)發(fā)生作用，同時(shí)原子又可以反作用于波導(dǎo)模式，此外，原子與原子之間又可以通過(guò)波導(dǎo)模式相互影響。這部分主要介紹不同微結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)模式與原子態(tài)相互耦合的相關(guān)研究工作。2.3.1波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光纖錐的直徑越小，傳輸模式延伸到表面的光場(chǎng)越多，形成的倏逝場(chǎng)越強(qiáng)，因此，光纖錐的傳輸模式與其表面的原子通過(guò)倏逝場(chǎng)可以發(fā)生有效的相互耦合作用46。HAKUTA K研究組于2022年通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(chǎng)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(shí)，

31、光纖錐表面的原子通過(guò)對(duì)倏逝場(chǎng)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(diǎn)線）和激發(fā)態(tài)（虛線）的原子對(duì)倏逝場(chǎng)的散射作用呈指數(shù)增大63。進(jìn)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(guò)光纖錐傳輸模式的近場(chǎng)耦合而發(fā)生相互影響。如圖10（c）所示，雙原子的相對(duì)位置發(fā)生改變時(shí)，原子的輻射速率發(fā)生相應(yīng)的變化64。圖10波導(dǎo)表面倏逝場(chǎng)與原子的相互作用Fig. 10The illustration of the coupling between the atom and the evanescent field on the waveguide奧地利維也納

32、大學(xué)RAUSCHENBEUTEL A研究組將基于光纖錐的原子實(shí)驗(yàn)推向了量子領(lǐng)域。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了光纖錐表面的Cs原子量子態(tài)的相干特性65，通過(guò)原子與光纖錐的耦合作用分別實(shí)現(xiàn)集成偏振隔離器和光存儲(chǔ)66，67。2022年，該研究組實(shí)現(xiàn)光纖錐表面單個(gè)原子的捕獲和成像，為研究原子的量子特性提供更好的實(shí)驗(yàn)技術(shù)68。接著他們利用與光纖錐弱耦合的Cs原子實(shí)現(xiàn)光纖內(nèi)強(qiáng)關(guān)聯(lián)光子態(tài)的制備69，通過(guò)光纖內(nèi)的光場(chǎng)與光纖表面的原子耦合發(fā)生正交態(tài)壓縮，從而使得時(shí)間能量糾纏的雙光子實(shí)現(xiàn)解糾纏70。此外，他們還研究了光纖錐表面原子運(yùn)動(dòng)的量子效應(yīng)和集體輻射效應(yīng)71，72，通過(guò)原子自旋來(lái)控制光纖非互易的拉曼放大73。這些研究展

33、現(xiàn)了光纖錐表面原子獨(dú)特的量子特性，并且將原子的量子效應(yīng)很好的應(yīng)用于集成光調(diào)控。法國(guó)的LAURAT J研究組通過(guò)光纖錐上的原子也進(jìn)行了量子特性的研究，2022年實(shí)驗(yàn)演示了光纖錐表面原子形成的布拉格原子光柵對(duì)光的布拉格反射現(xiàn)象74，接著實(shí)現(xiàn)光纖錐表面單原子陣列的糾纏激發(fā)，并對(duì)存儲(chǔ)的糾纏態(tài)進(jìn)行讀取75。由于波導(dǎo)模式的光場(chǎng)主要分布在波導(dǎo)內(nèi)部，延伸到表面的倏逝場(chǎng)很少，這給集成波導(dǎo)囚禁原子的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了困難76，77。隨著集成波導(dǎo)表面囚禁原子的技術(shù)逐漸走向成熟，可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)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(kāi)展。2022年美國(guó)KANNAN B等通過(guò)集成波導(dǎo)囚禁原子的裝置實(shí)現(xiàn)原子量子比特和波導(dǎo)

34、模式的耦合，以及不同位置原子量子比特之間的耦合78。2022年美國(guó)哈佛大學(xué)研究組通過(guò)集成量子波導(dǎo)與原子的耦合，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)表面上兩個(gè)單原子之間的糾纏制備、快速無(wú)損原子態(tài)讀取和原子比特的全量子控制79。2.3.2光子晶體結(jié)構(gòu)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(qiáng)場(chǎng)和原子之間可以發(fā)生很強(qiáng)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(dǎo)光子晶體等。KIMBLE H J研究組通過(guò)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(dǎo)上原子的超輻射現(xiàn)象81，用波導(dǎo)上的原子陣列模擬量子多體

35、82，原子之間在晶體能級(jí)邊帶發(fā)生耦合作用的現(xiàn)象83。TIECKE T G等對(duì)光子晶體波導(dǎo)和原子也進(jìn)行了相關(guān)研究，通過(guò)原子與光子晶體波導(dǎo)模式的強(qiáng)耦合作用實(shí)現(xiàn)原子對(duì)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(dǎo)與原子表現(xiàn)出很好的相互耦合特性和量子特性。2022年美國(guó)SAMUTPRAPHOOT P等設(shè)計(jì)折射率周期性分布的光子晶體波導(dǎo)與原子耦合85，光子晶體波導(dǎo)的折射率周期性分布形成諧振腔，其共振模式的倏逝場(chǎng)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(gè)單原子的位置，因此觀測(cè)單原子之間通過(guò)光子晶體波導(dǎo)腔模式的近場(chǎng)耦合而產(chǎn)生強(qiáng)耦合?；诖藢?shí)驗(yàn)裝置，

36、研究了兩個(gè)獨(dú)立原子之間的糾纏制備、快速無(wú)損態(tài)讀取和原子比特的全量子控制79。2.3.3回音壁微腔結(jié)構(gòu)在研究微納結(jié)構(gòu)與原子的近場(chǎng)相互作用過(guò)程中，不同的微結(jié)構(gòu)既有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)又存在局限性。比如光纖錐可以提供很強(qiáng)的表面倏逝場(chǎng)用于原子囚禁和調(diào)控，但是存在機(jī)械振動(dòng)限制了原子態(tài)的調(diào)控精度。集成波導(dǎo)雖然具有很好的穩(wěn)定性，但是表面倏逝場(chǎng)強(qiáng)度有限，也給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)難度。光子晶體波導(dǎo)既可以提供增強(qiáng)的倏逝場(chǎng)又具有集成穩(wěn)定性，但是對(duì)晶體結(jié)構(gòu)要求很嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)同時(shí)又可以克服其缺點(diǎn)。圓形微環(huán)腔不僅支持高品質(zhì)的回音壁模式，對(duì)光場(chǎng)模式具有共振增強(qiáng)作用，而且自由光譜范圍小，腔內(nèi)

37、可以同時(shí)滿足紅藍(lán)失諧光的共振，在腔表面形成穩(wěn)定的光學(xué)偶極阱囚禁原子，同時(shí)腔模式通過(guò)倏逝場(chǎng)對(duì)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(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。微球腔由于制作工藝簡(jiǎn)單，可以達(dá)到很高的Q值，在微腔表面形成很強(qiáng)的光場(chǎng)，因此最早被應(yīng)用于與原子相互作用。由于微腔表面的倏逝場(chǎng)比較難形成穩(wěn)定囚禁原子的光學(xué)偶極阱，一般通過(guò)自由空間光場(chǎng)輔助作用將原子囚禁在微腔表面，同時(shí)也提高了控制原子位置的自由度。美國(guó)KIMBLE H J研究組首先于1994年分析了繞微球腔運(yùn)動(dòng)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(shù)的發(fā)展，微環(huán)腔的Q值可以達(dá)到非常高，原子與微環(huán)腔的耦合

38、研究也隨之開(kāi)展。2022年，KIMBLE H J研究組將單個(gè)Cs原子與微環(huán)腔光場(chǎng)模式進(jìn)行耦合86，如圖11（a）所示，在微環(huán)腔上方通過(guò)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(guò)譜。2022年以色列BECHLER O等通過(guò)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(gè)光子模式與原子雙基態(tài)之間產(chǎn)生確定性干涉，實(shí)現(xiàn)單個(gè)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. 11The structure of the microcavity for coupling with the atoms回音壁微瓶腔具有與微球

39、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。2022年奧地利TAUSCHENBEUTEL A研究組通過(guò)回音壁微瓶腔與85Rb的耦合作用進(jìn)行了一系列研究工作，研究了光場(chǎng)的縱向分量對(duì)Rb原子和微瓶腔耦合的影響87，通過(guò)87Rb原子與微瓶腔的強(qiáng)耦合作用使微瓶腔耦合的光纖內(nèi)單光子之間產(chǎn)生非線性相移，實(shí)現(xiàn)高保真度糾纏光的制備91。2022年，該研究組通過(guò)控制Rb原子態(tài)來(lái)改變微瓶圓腔透光的方向，實(shí)現(xiàn)集成光纖的量子光學(xué)環(huán)形器92。早期的實(shí)驗(yàn)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2022年，TAUSCHENBEUTEL A研究組通過(guò)腔表面反射的紅失諧激

40、光實(shí)現(xiàn)微球表面單個(gè)85Rb原子的囚禁，觀測(cè)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(chǎng)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(chǎng)分布如圖12（a）。TM模式比TE模式具有更多的場(chǎng)分布在波導(dǎo)表面，形成的倏逝場(chǎng)與原子發(fā)生更強(qiáng)的相互作用，因此在實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)94，具有離心力，因此腔波導(dǎo)表面的倏逝場(chǎng)不是對(duì)稱分布，這對(duì)束縛原子很不利，需要很大

41、的腔模式強(qiáng)度才能夠形成穩(wěn)定的光纖偶極阱。在腔波導(dǎo)內(nèi)，除了基膜TM0還有高階模式，其中TM1模式在波導(dǎo)表面的倏逝場(chǎng)分布是兩邊強(qiáng)中間弱，正好與基膜的倏逝場(chǎng)分布（中間強(qiáng)兩邊弱）形成互補(bǔ)趨勢(shì)。因此，在采用紅藍(lán)失諧TM0模式倏逝場(chǎng)囚禁腔波導(dǎo)表面原子的時(shí)候，通過(guò)引入高階TM1模式來(lái)補(bǔ)償TM0模式受離心力影響產(chǎn)生的偏移，提高有效勢(shì)阱深度，從而降低囚禁原子對(duì)腔模式強(qiáng)度的要求21，為微環(huán)腔波導(dǎo)表面近場(chǎng)束縛原子提供可行的實(shí)驗(yàn)方案。圖12集成微環(huán)腔與原子耦合示意Fig. 12The illustration of the coupling between the integrated microring resonator with the atoms實(shí)驗(yàn)中，為了便于傳送帶將冷原子從MOT轉(zhuǎn)移到微環(huán)腔波導(dǎo)表面，美國(guó)HUNG C L研究組設(shè)計(jì)了基于藍(lán)寶石基底的SiN微環(huán)腔的原子芯片