劉愛萍，陳廣杰，陳梁，徐新標(biāo)，張延磊，王琴，鄒長鈴

（1 南京郵電大學(xué)量子信息技術(shù)研究所，南京 210003）

（2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息重點實驗室，合肥 230026）

0 引言

原子與光子的相互作用可以實現(xiàn)量子比特信息的讀取和存儲，在量子信息處理中具有重要的應(yīng)用前景。近年來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驗取得了一系列重要進展，［1-4］，推動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，通過激光冷卻技術(shù)和激光偶極阱技術(shù)，可以基于空間光場實現(xiàn)對原子的外部自由度的有效操控，進而減小原子系綜的平均速度、實現(xiàn)原子的長時間囚禁、實現(xiàn)確定性原子的輸運、甚至調(diào)控原子的物質(zhì)波并實現(xiàn)原子物質(zhì)波干涉等目標(biāo)［5，6］；另一方面，光場與原子的相互作用是實現(xiàn)原子的內(nèi)部自由度，即原子的軌道能級躍遷、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)操控和探測系統(tǒng)。這些原子系統(tǒng)具有體積龐大、質(zhì)量大的缺點，在實際應(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。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)，實現(xiàn)一種全芯片集成的光子-原子實驗平臺提供了技術(shù)支撐。通過芯片上的微納結(jié)構(gòu)可以構(gòu)筑多樣化的空間光場分布［12-14］，還可以與傳統(tǒng)光電子器件結(jié)合，實現(xiàn)多通道、高速和并行的光場調(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)構(gòu)的光子-原子芯片不僅具有尺寸小、功耗低、束縛強、勢阱形狀多樣等優(yōu)勢，還能夠極大的增強光與原子的相互作用。利用芯片上微納光學(xué)結(jié)構(gòu)對光場的強束縛作用，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)控真空光場的態(tài)密度，進而實現(xiàn)更高效率的光子-原子量子糾纏、量子存儲和讀取［15］。因此，光學(xué)芯片與原子的結(jié)合提供了一種獨特而新穎的實驗平臺，可以實現(xiàn)對原子物質(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 等提出和驗證了利用表面倏逝場囚禁原子，為集成微納結(jié)構(gòu)束縛原子提供理論和實驗基礎(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)表面附近以及實現(xiàn)與波導(dǎo)模式的耦合［18］。光子-原子芯片作為一個完整的系統(tǒng)，除了原子之外，還需要具備光源、探測器、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］。近年來發(fā)展的基于藍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)探測器等集成，有望成為實用型光子-原子芯片。

本文將對集成光子-原子芯片的技術(shù)進行綜述和展望。光子-原子芯片的研究可以劃分為兩個研究方向，如圖1。首先通過芯片集成磁光阱（Magneto-optical Trap，MOT）系統(tǒng)對原子進行冷卻和束縛［18］，第一個方向為利用芯片上的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)片內(nèi)波導(dǎo)模式與自由空間光場的轉(zhuǎn)換，從而基于片外自由空間光場對原子進行囚禁、態(tài)操控和讀出［20］。第二個方向為全片上的集成，通過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)的倏逝場實現(xiàn)對原子的近場囚禁、激發(fā)和探測［21］，以及實現(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。在過去的十幾年，這兩個研究方向取得了一系列重要進展，如圖2。按照這兩個研究方向，首先介紹基于片上自由空間光場的光子-原子芯片技術(shù)，包括集成MOT系統(tǒng)對原子的冷卻和自由空間光場對原子的囚禁與輸運，接著介紹基于近場的光子-原子芯片技術(shù)，包括不同微結(jié)構(gòu)表面近場捕獲原子和近場與原子態(tài)的相互耦合作用，并重點介紹微腔與原子的相互作用，最后進行總結(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.1 The illustration of integrated photon-atom chip

1 基于自由空間光場的光子-原子芯片

基于自由空間光場的光子-原子芯片主要是基于光學(xué)芯片實現(xiàn)MOT 所需的特定偏振和方向的空間光場分布，從而實現(xiàn)對距離芯片表面幾十微米到幾毫米位置的原子團的激光冷卻，進一步基于空間聚焦光場實現(xiàn)對原子的精細(xì)操控。如圖1（b）所示，自由空間光場的光子-原子芯片的研究途徑主要分為兩步：首先通過芯片上集成微納結(jié)構(gòu)和自由空間入射激光光束實現(xiàn)冷原子團，然后利用片內(nèi)模場轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)波導(dǎo)模場與芯片附近聚焦光場的轉(zhuǎn)換，從而形成光學(xué)偶極阱對原子進行囚禁，并通過聚焦光束實現(xiàn)高效的原子內(nèi)態(tài)操控和讀出?；谧杂煽臻g光場的光子-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)模式進行對接。此外，對原子的尋址可以通過衍射光束進行靈活控制，具有很好的空間自由度，有利于開展多個單原子和可調(diào)控原子的實驗。

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)域早期就開始了。其中，韓國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冷卻激光，可以將原子冷卻和束縛在中心交叉點。該結(jié)構(gòu)可以置于真空腔中，與反亥姆霍茲線圈組合，可以實現(xiàn)對原子的冷卻和束縛。隨后數(shù)十年中，基于空心錐反射鏡的磁光阱結(jié)構(gòu)被不斷改進和優(yōu)化。2009 年，英國的ARNOLD A S 等首次證明了四面體構(gòu)型的光場同樣可以產(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［23］。如圖3（b）所示，由三個反射鏡的反射光與入射光形成冷卻光場，一定程度上簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2010 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2013 年和英國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.3 The illustration of MOT system

此后，基于光柵磁光阱的研究和應(yīng)用逐漸展開［18，24-27］。例如，美國國家標(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，實現(xiàn)了Li 原子的光柵磁光阱［28］，如圖3（e）。中國計量院也開展了相關(guān)的研究，實現(xiàn)了Rb 原子的光柵磁光阱［29］。最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)ZOU C L 研究組則首次突破了磁場線圈的平面化，實現(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)合下方磁場芯片產(chǎn)生的四極磁場共同作用，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 片上自由空間光場束縛原子

在利用多普勒冷卻獲得芯片附近的冷原子團后，還可以進一步通過光偶極阱囚禁原子系綜或者單原子，實現(xiàn)對原子的長時間俘獲，從而實現(xiàn)具備更長相干時間的原子外態(tài)或內(nèi)態(tài)。同時，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，來實現(xiàn)波導(dǎo)的光場模式與自由空間聚焦光場之間的有效轉(zhuǎn)換，借助集成芯片上可擴展的光學(xué)器件實現(xiàn)對原子外態(tài)和內(nèi)態(tài)的有效操控和探測。

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)，其基于四個波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)囚禁和探測單原子［20］。其中對角線上的兩個光柵的衍射光束干涉形成光學(xué)偶極阱可以對單個中性冷原子進行囚禁，另兩個光柵可以用于對囚禁的原子態(tài)進行泵浦和探測，從而在單個芯片上同時實現(xiàn)單原子的囚禁、泵浦和探測。類似地，WANG M 等通過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十微米處干涉產(chǎn)生光學(xué)偶極阱陣列，可以對原子產(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。美國的MEHTA K K 等通過集成光柵的衍射光束與離子的相互作用做了一系列工作，通過兩兩并聯(lián)的光柵演示離子比特的尋址［31］。2020 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)制備與探測的激光［32］。這些研究進展證實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的裝置Fig.4 The generation of free space light for 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，實現(xiàn)波導(dǎo)模式到自由空間聚焦光場的轉(zhuǎn)換。例如，GRANADOS E 等通過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)，通過選擇合適的激光波長，可以在芯片上方形成干涉光場產(chǎn)生光學(xué)偶極阱對原子進行囚禁和激發(fā)探測［34］。圖4（c）為另外一種可行的結(jié)構(gòu)，YU S 等通過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干涉場［35］。類似地，波導(dǎo)模式也可以通過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展至中性原子的各個工作波長，產(chǎn)生的匯聚光束可以用于實現(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)用于原子實驗中，通過超表面結(jié)構(gòu)在芯片上方產(chǎn)生聚焦光場對原子進行囚禁和探測，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)如果要通過倏逝場直接相互耦合，原子與波導(dǎo)表面之間的距離必須小于波長?，F(xiàn)有的原子技術(shù)主要是通過磁光阱在自由空間中獲得冷原子團，因此在基于近場的光子-原子芯片中需要通過原子傳送帶將冷原子團從自由空間傳送到波導(dǎo)表面與倏逝場耦合。原子傳送帶首先將原子囚禁在束縛光場形成的光學(xué)偶極阱陣列內(nèi)，然后通過干涉光的頻率或者相位差來移動束縛光場的位置，從而帶動所囚禁原子運動。近幾年在有關(guān)集成光子-原子芯片的實驗中，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。

基于電動反射鏡的原子傳送帶是通過電動反射鏡改變光束的反射角來控制束縛原子的位置實現(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)相互作用的實驗中［37］。如圖5（a）所示，非球面透鏡產(chǎn)生的聚焦光場形成光學(xué)偶極阱，其位置可以通過改變電動反射鏡的角度進行控制。首先將聚焦光場置于MOT 中，束縛于聚焦光場形成的光學(xué)偶極阱對冷原子進行束縛，接著改變振鏡的角度將聚焦光場移動到光子晶體表面，被束縛的冷原子將隨之移動到光子晶體表面，完成原子傳送。

圖5 原子傳送帶實驗示意Fig.5 The illustration of the atomic conveyor belt

兩束相對傳輸?shù)墓馐缮娈a(chǎn)生駐波場，當(dāng)兩束光的頻率存在微小失諧時，駐波場將發(fā)生縱向移動，頻率小失諧干涉光場可以用于原子傳送帶對原子的位置進行控制。如果干涉光束為原子的紅失諧光，干涉駐波場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)的原子將隨著駐波場運動，從而實現(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-原子芯片實驗中［40］。BURGERS A P 等在研究原子與鋸齒形光子晶體波導(dǎo)相互耦合的實驗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)生運動的駐波場，被束縛于駐波波腹內(nèi)的冷原子隨著波包不斷運動而到達光子晶體波導(dǎo)。2019 年美國HUNG C L 研究組通過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干涉產(chǎn)生駐波場，在每個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，駐波場處于運動狀態(tài)，從而帶動束縛于波腹內(nèi)的原子從自由空間移動到波導(dǎo)表面，當(dāng)兩干涉光束的頻率差為大失諧時，駐波場保持不動，被束縛的原子也隨之停止移動。該方法不僅可以將單原子傳送到波導(dǎo)表面確定的位置，還可以通過多個傳送通道實現(xiàn)多個單原子陣列的傳送，在波導(dǎo)表面形成單原子陣列。

2.2 片上近場束縛原子

2.2.1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

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(dǎo)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(xué)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(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，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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)和光子晶體波導(dǎo)表面近場束縛原子的研究工作。

當(dāng)光纖被拉得很細(xì)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)入光纖錐，由于Purcell 增強效應(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(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，倏逝場形成的光學(xué)偶極阱可以將原子囚禁于波導(dǎo)表面的近場位置處［54］。

2000 年BARNETT A H 等提出使用集成波導(dǎo)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(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)募t藍失諧偏振模式在波導(dǎo)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(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)表面的近場范圍內(nèi)。光學(xué)偶極阱的結(jié)構(gòu)決定于光場的分布，通過設(shè)計不同組合的集成波導(dǎo)可以實現(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，以滿足不同場合中囚禁原子所需的光學(xué)偶極阱［56］。2015 年美國的MENG Y 等設(shè)計了可以與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760 nm 和1 064 nm 光波的倏逝場將Rb 原子囚禁于波導(dǎo)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(dǎo)與原子的近場耦合。

圖7 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)束縛原子的示意Fig.7 The structure of the integrated waveguide for trapping atoms

2.2.2 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失諧光的功率比較高，在波導(dǎo)表面獲得百μk 以上的光學(xué)偶極阱，需要約幾十mW 的波導(dǎo)光功率［56］，實驗中難以在芯片上的波導(dǎo)輸入這么高的光功率，同時如此高的光功率會使得波導(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)的可對光波產(chǎn)生反射作用的光子晶體波導(dǎo)微腔在波導(dǎo)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(shè)計特定結(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(dǎo)內(nèi)的光場形成光學(xué)偶極阱囚禁原子［58］，如圖8（a）所示，設(shè)計特定的圓孔周期使藍失諧光在晶體波導(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，由于藍失諧光場對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)偶極阱。同時，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，對束縛于其中的原子產(chǎn)生有效調(diào)控。此外，他們還設(shè)計了平行雙晶體波導(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，通過調(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(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)用于原子實驗中，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光場的反射作用產(chǎn)生駐波場，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，光子晶體波導(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(yán)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)表面近場范圍內(nèi)，進而研究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。2015 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，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(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(xué)偶極阱陣列，每個光學(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.9 The structure of the 2D photonic crystal waveguide for trapping atoms

2.3 倏逝場與原子態(tài)的相互耦合作用

波導(dǎo)模式延伸到表面光場形成指數(shù)衰減分布的倏逝場，倏逝場可以作用于囚禁在近場的原子，實現(xiàn)原子與波導(dǎo)模式的直接耦合作用。波導(dǎo)模式可以通過倏逝場對原子態(tài)發(fā)生作用，同時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(yīng)的變化［64］。

圖10 波導(dǎo)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(xué)RAUSCHENBEUTEL A 研究組將基于光纖錐的原子實驗推向了量子領(lǐng)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(shù)［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(guān)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(yīng)和集體輻射效應(yīng)［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(yīng)很好的應(yīng)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?。?5］。

由于波導(dǎo)模式的光場主要分布在波導(dǎo)內(nèi)部，延伸到表面的倏逝場很少，這給集成波導(dǎo)囚禁原子的實驗帶來了困難［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展。2020 年美國KANNAN B 等通過集成波導(dǎo)囚禁原子的裝置實現(xiàn)原子量子比特和波導(dǎo)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(xué)研究組通過集成量子波導(dǎo)與原子的耦合，實現(xiàn)波導(dǎo)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］。

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(dǎo)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(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［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(dǎo)和原子也進行了相關(guān)研究，通過原子與光子晶體波導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計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(dǎo)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］。

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(dǎo)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(dǎo)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(yán)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(xué)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(guān)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(yīng)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(xué)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(shù)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)表面，美國HUNG C L 研究組設(shè)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(dǎo)表面形成原子傳送帶，將冷原子導(dǎo)入到腔波導(dǎo)表面。腔波導(dǎo)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(xué)偶極阱，將原子囚禁于距離波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)表面的紅失諧光將原子傳輸?shù)讲▽?dǎo)表面，再結(jié)合波導(dǎo)內(nèi)藍失諧光的倏逝場將原子囚禁在波導(dǎo)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(yīng)用前景。

3 總結(jié)和展望

3.1 亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題

光子-原子芯片領(lǐng)域的研究還處于探索階段，離在實際應(yīng)用中發(fā)揮不可替代的作用還有一段距離。未來幾年這一前沿研究領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)問題包括以下幾個方面。

1）單原子陣列技術(shù)。為了更好地應(yīng)用于量子信息處理，穩(wěn)定和高速捕獲確定性單原子陣列是一個重要關(guān)鍵技術(shù)。實現(xiàn)原子量子比特的基本操控、芯片上原子與微腔的強耦合以及光子-原子糾纏是光子-原子芯片進一步應(yīng)用于量子相關(guān)領(lǐng)域的必經(jīng)之路。

2）多功能器件的集成。將芯片上的成熟光學(xué)器件，包括片上倍頻頻率轉(zhuǎn)換、高速電光調(diào)制器、高頻聲光調(diào)制器與光子-原子芯片結(jié)合，開發(fā)更復(fù)雜的集成回路和更新穎的原子相關(guān)應(yīng)用也是一個重要的技術(shù)發(fā)展方向。此外，結(jié)合近期蓬勃發(fā)展的Metasurface 器件，可能可以進一步提升芯片上用于束縛和操控原子的空間光場的調(diào)控能力。

3）芯片上光子-原子混合波導(dǎo)器件的研究?？梢灶A(yù)見集成波導(dǎo)上的偶極阱也可以構(gòu)成原子物質(zhì)波的波導(dǎo)，從而可以潛在實現(xiàn)原子物質(zhì)波回路的各種器件。結(jié)合波導(dǎo)上光子與原子的強相互作用，這種芯片上光子-原子的混合集成回路有望用于開發(fā)原子物質(zhì)波相關(guān)的應(yīng)用，例如慣性傳感。

此外，光子-原子芯片在技術(shù)上還有兩個挑戰(zhàn)，包括芯片與光纖的封裝和芯片與真空的封裝。一方面，未來需要通過光纖實現(xiàn)芯片上的高效光學(xué)輸入輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)多個端口多個波長的光纖到芯片的穩(wěn)定耦合。而光纖與光子芯片的高效率耦合也是目前光子芯片研究領(lǐng)域的一個重要技術(shù)難點。另外一方面，原子系統(tǒng)目前對高真空的需求也制約著整個系統(tǒng)的進一步集成化，希望未來能夠發(fā)展新的真空鍵合和封裝技術(shù)，能夠直接以芯片為基礎(chǔ)實現(xiàn)冷原子系統(tǒng)所需真空。

3.2 未來展望

近十年光子-原子芯片技術(shù)得到了飛速發(fā)展，引起了光學(xué)、原子物理、量子信息等領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。目前，已經(jīng)在包括集成芯片上的原子冷卻、單原子囚禁以及原子態(tài)探測等技術(shù)方面取得了一系列重要的實驗進展。除了本文提到的冷原子相關(guān)的進展，熱原子與光學(xué)芯片的封裝也取得了很多進展，該系統(tǒng)中雖然原子與集成光學(xué)波導(dǎo)或微腔的相互作用時間較短，但是微納結(jié)構(gòu)增強的相互作用使熱原子與芯片的結(jié)合在非線性光學(xué)和光譜學(xué)方面具有很大的吸引力。例如，以色列LEVY U 研究組將SiN 波導(dǎo)置于Rb 原子氣室內(nèi)，研究在Rb 原子作用下的微環(huán)腔的透過譜線［97］并用于片上頻率參考［98］?，F(xiàn)在光子-原子芯片的研究不斷沿著可在常溫下工作的、穩(wěn)定的、高效率的方向發(fā)展，可以預(yù)期在光子-原子芯片上的高保真度的關(guān)鍵量子器件的研制能夠推進量子精密測量、量子網(wǎng)絡(luò)、量子計算等領(lǐng)域的發(fā)展。

致謝：感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)項國勇和徐磊、中國計量科學(xué)研究院劉小赤、山西大學(xué)張鵬飛的討論與合作。