Revolusi Kuantum: Atom yang terperangkap pada chip
Dengan miniatur dingin atom Perangkap dengan fotonik terintegrasi, para peneliti membuat teknologi kuantum portabel.
Sistem chip fotonik mereka menggantikan optik ruang bebas tradisional, menawarkan jalur menuju sensor kuantum yang sangat tepat dan dapat digunakan dan alat komputasi.
Membawa percobaan kuantum ke tingkat chip
Para peneliti di UC Santa Barbara bekerja untuk mengecilkan eksperimen kuantum atom dingin dari pengaturan laboratorium besar ke sistem berbasis chip yang ringkas. Kemajuan ini dapat merevolusi bidang -bidang seperti penginderaan presisi, ketepatan waktu, Komputasi kuantumdan ilmu mendasar.
“Kami berada di titik kritis,” kata Daniel Blumenthal, seorang profesor teknik listrik dan komputer.
Kekuatan Atom Dingin
Dalam artikel unggulan untuk Optica QuantumBlumenthal dan rekan -rekannya – mahasiswa pascasarjana Andrei Isichenko dan peneliti postdoctoral Nitesh Chauhan – menyoroti terobosan terbaru dan arah masa depan dalam perangkap dan atom pendingin. Pekerjaan mereka bertujuan untuk membawa teknologi kuantum yang kuat ini ke dalam perangkat portabel, berpotensi cukup kecil untuk muat di telapak tangan Anda.
Atom dingin didinginkan hingga suhu yang sangat rendah, di bawah 1 millikelvin, di mana gerakan mereka melambat, dan efek kuantum menjadi dominan. Ini membuat mereka sangat sensitif terhadap sinyal elektromagnetik yang samar dan partikel-partikel mendasar, membuatnya ideal untuk ketepatan waktu yang sangat tepat, navigasi, dan “qubit” untuk aplikasi komputasi kuantum.
Tantangan miniaturisasi
Untuk memanfaatkan sifat-sifat ini, banyak peneliti saat ini bekerja dengan sistem optik atom skala laboratorium yang sangat sensitif untuk membatasi, menjebak, dan mendinginkan atom. Secara konvensional, sistem ini menggunakan laser dan optik ruang bebas, menghasilkan balok yang dipandu, diarahkan dan dimanipulasi oleh lensa, cermin, dan modulator. Sistem optik ini dikombinasikan dengan kumparan dan atom magnetik dalam ruang hampa untuk membuat atom dingin menggunakan perangkap magneto-optik 3-dimensi 3-dimensi (3D-mot). Tantangan yang dihadapi para peneliti adalah bagaimana mereplikasi fungsi laser dan optik ke perangkat kecil dan tahan lama yang dapat digunakan di luar lingkungan laboratorium yang sangat terkontrol, untuk aplikasi seperti penginderaan gravitasi, penipisan presisi dan metrologi, dan komputasi kuantum.
Terobosan dalam integrasi fotonik
Artikel Optica Quantum Review mencakup kemajuan terbaru dan cepat dalam ranah eksperimen miniatur kompleks atom dingin melalui aplikasi optik kompak dan fotonik terintegrasi. Penulis merujuk pencapaian fotonik di berbagai sub-bidang, mulai dari telekomunikasi hingga sensor, dan memetakan pengembangan teknologi hingga ilmu atom dingin.
“Kami membuat atom dingin dengan fotonik terintegrasi untuk pertama kalinya.”
“Ada banyak pekerjaan yang benar-benar hebat miniaturisasi pengiriman balok,” kata Isichenko, “tetapi telah dilakukan dengan komponen yang masih dianggap optik ruang bebas-cermin yang lebih kecil atau kisi-kisi yang lebih kecil-tetapi Anda masih tidak dapat mengintegrasikan berbagai fungsi ke dalam chip.”
Masukkan 3D-MOT terintegrasi fotonik para peneliti, versi miniatur peralatan yang digunakan secara luas dalam percobaan untuk memberikan sinar cahaya untuk mendinginkan atom. Tertanam ke dalam platform integrasi silikon nitrida silikon rendah, itu adalah bagian dari sistem fotonik yang menghasilkan, merutekan, memperluas dan memanipulasi semua balok yang diperlukan untuk menjebak dan mendinginkan atom. Artikel ulasan menyoroti fotonik terintegrasi 3D-MOT-atau “picmot” yang ditunjukkan oleh tim UC Santa Barbara sebagai tonggak utama bagi lapangan.
“Dengan fotonik, kita dapat membuat laser pada chip, modulator pada chip dan sekarang emisi kisi-kisi area besar, yang merupakan apa yang kita gunakan untuk mendapatkan dan mematikan chip,” tambah Isichenko.
Menjebak atom dengan presisi
Yang menarik adalah sel atom, ruang vakum tempat atom terperangkap dan didinginkan. Salah satu prestasi yang dicapai para peneliti adalah untuk merutekan lampu input dari serat optik, yang kurang dari lebar rambut, melalui pandu gelombang ke tiga emitor kisi yang menghasilkan tiga balok space bebas-ruang kolimasi lebar 3,5 mm. Setiap balok dipantulkan kembali pada dirinya sendiri untuk total enam balok berpotongan yang menjebak sejuta atom dari uap di dalam sel dan, dalam kombinasi dengan medan magnet, mendinginkan atom hingga suhu hanya 250 Inggris. Semakin besar balok, semakin banyak atom dapat terperangkap ke dalam awan dan diinterogasi, Blumenthal dicatat, dan semakin tepatnya instrumen.
“Kami membuat atom dingin dengan fotonik terintegrasi untuk pertama kalinya,” kata Blumenthal.
Memperluas jangkauan teknologi kuantum
Implikasi dari inovasi para peneliti masih jauh. Dengan perbaikan yang direncanakan untuk daya tahan dan fungsionalitas, desain MOT skala chip di masa depan dapat memanfaatkan menu komponen fotonik, termasuk hasil terbaru dengan laser skala chip. Ini dapat digunakan untuk mengoptimalkan teknologi untuk aplikasi yang beragam seperti mengukur aktivitas vulkanik dengan efek kenaikan permukaan laut dan pergerakan gletser dengan merasakan gradien gravitasi di dan sekitar Bumi.
Integrasi 3D-MOT dapat memberi para ilmuwan kuantum dan pencatat waktu cara baru untuk mengirim instrumen Earthbound saat ini ke ruang angkasa, melakukan sains fundamental baru, dan memungkinkan pengukuran yang tidak mungkin di bumi. Selain itu, perangkat dapat memajukan proyek penelitian dengan mengurangi waktu dan upaya yang dihabiskan untuk membangun dan menyempurnakan pengaturan optik. Mereka juga dapat membuka pintu untuk proyek penelitian kuantum yang dapat diakses untuk fisikawan di masa depan.
Referensi: “Mengaktifkan perangkap magneto-optik 3D terintegrasi fotonik untuk Ilmu dan Aplikasi Quantum” oleh Daniel J. Blumenthal, Andrei Isichenko dan Nitesh Chauhan, 24 Desember 2024, Optica Quantum.
Doi: 10.1364/opticaq.532260
