集成光子-原子芯片的研究進(jìn)展（特邀）

劉愛(ài)萍，陳廣杰，陳梁，徐新標(biāo)，張延磊，王琴，鄒長(zhǎng)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026）

0 引言

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。……