新一代量子設(shè)備可在單個(gè)芯片上控制多個(gè)激光器

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員開發(fā)了芯片級設(shè)備，用于同時(shí)控制多束激光的顏色、焦點(diǎn)、傳輸方向和偏振。

使用單個(gè)芯片調(diào)整這些特性的能力，對于制造新型便攜式傳感器至關(guān)重要，這種傳感器能夠以前所未有的精度測量如旋轉(zhuǎn)、加速度、時(shí)間和磁場等基本量，這超出了實(shí)驗(yàn)室的限制。

NIST的研究人員設(shè)計(jì)并制造了這個(gè)芯片上的系統(tǒng)，以形成多個(gè)激光束（藍(lán)色箭頭），并在光線被送入太空與設(shè)備或材料相互作用之前控制它們的偏振。操縱激光束有三個(gè)組成部分：一個(gè)倏逝耦合器（EVC），它將光從一個(gè)設(shè)備耦合到另一個(gè)設(shè)備;超光柵（MG），這是一種微小的表面，上面印著數(shù)百萬個(gè)小孔，可以像大尺寸衍射光柵一樣散射光線;還有一個(gè)超表面（MS），一個(gè)小的玻璃表面，上面布滿了數(shù)百萬個(gè)柱子，充當(dāng)透鏡的作用。

通常情況下，一個(gè)像餐桌一樣大的實(shí)驗(yàn)室工作臺需要容納各種各樣的透鏡、偏光器、鏡子和其他設(shè)備，這些設(shè)備甚至需要操縱一束激光。然而，許多量子技術(shù)，包括微型光學(xué)原子鐘和一些未來的量子計(jì)算機(jī)，將需要在一個(gè)小空間區(qū)域內(nèi)同時(shí)訪問多種、廣泛變化的激光顏色。

為了解決這個(gè)問題，NIST科學(xué)家Vladimir Aksyuk和他的同事們結(jié)合了兩種芯片規(guī)模的技術(shù)：集成光子電路，它使用微小的透明通道和其他微型組件來引導(dǎo)光線;還有一種非常規(guī)光學(xué)的來源被稱為光學(xué)超表面。這種表面由玻璃晶片組成，晶片上有數(shù)百萬個(gè)微小結(jié)構(gòu)，高度只有幾千億分之一米，不需要笨重的光學(xué)裝置就能操縱光的性質(zhì)。

Aksyuk和他的合作者證明，一個(gè)光子芯片完成了36個(gè)光學(xué)組件的工作，同時(shí)控制了的12個(gè)激光束的方向、聚焦和偏振（光波傳播時(shí)振動的平面），分成四種不同顏色。

該團(tuán)隊(duì)還展示了這種微型芯片可以引導(dǎo)兩束不同顏色的光束相互平行運(yùn)動，這是某些類型的先進(jìn)原子鐘的要求。他們在《光：科學(xué)與應(yīng)用》（ Light： Science & Applications）報(bào)道了他們的研究成果。

NIST團(tuán)隊(duì)成員Amit Agrawal說：“用一個(gè)可以在潔凈室中制造的簡單半導(dǎo)體晶圓取代裝滿笨重光學(xué)元件的光學(xué)工作臺，真正改變了游戲規(guī)則?！彼a(bǔ)充說：“這些技術(shù)是必要的，因?yàn)樗鼈儓?jiān)固而緊湊，并且可以在現(xiàn)實(shí)條件下輕松地重新配置用于不同的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

Aksyuk指出，基于芯片的光學(xué)系統(tǒng)正在開發(fā)中。例如，激光還不足以將原子冷卻到小型化先進(jìn)原子鐘所需的超低溫。雖然激光通常會給原子提供能量，使它們升溫并移動得更快，但如果仔細(xì)選擇光的頻率和其他性質(zhì)，情況就會相反。在撞擊原子時(shí)，激光光子會誘導(dǎo)原子放棄能量并冷卻，這樣它們就可以被磁場捕獲。

Aksyuk說：“即使沒有冷卻能力，微型光學(xué)系統(tǒng)也是在芯片上建造先進(jìn)原子鐘的關(guān)鍵一步”。

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審核編輯 ：李倩