一种新型3D光学晶格利用聚焦激光点捕获原子，可作为量子计算平台

一种新型的三维光学晶格利用在多个平面中复制的聚焦激光点捕获原子，并最终可以作为量子计算平台。

图注：在沿着激光束轴的垂直切片中看到的，从透射通过微透镜阵列后的激光计算的强度图案。穿过阵列的光在焦平面上形成了一个亮点平面，该平面在横截面中显示为一条垂直线，在中心右侧有两个红点。由于Talbot效应，焦平面图案在其他平行平面上再现，在横截面中也可以看到红点或白点的垂直线。

研究人员已经为可能的量子计算任务制作了捕获原子的三维晶格，但标准技术不允许对原子间距进行太多控制。现在，一个团队通过将光学镊子（捕获原子的聚焦光点）与称为塔尔伯特效应的光学现象相结合，创建了一种新型三维晶格。该团队的三维镊子晶格具有10,000个原子的位点，但通过一些简单的修改，该系统可以达到100,000个原子。如此大的原子排列最终可以作为具有纠错功能的量子计算机的平台。

三维光学晶格已经存在了几十年。创建它们的标准方法包括交叉六个激光束以生成三维干涉图案，将原子捕获在高强度或低强度点中（参见：在三维晶格中精确定位量子位）。这些冷原子系统已被用作精密时钟和凝聚态系统的模型。然而，原子之间的间距由光的波长决定，这会限制研究人员对原子行为的控制。

光学镊子提供了另一种捕获和控制原子的方法。为了形成镊子阵列，研究人员将单个激光束通过微透镜阵列（或类似设备），该阵列将光束聚焦成多个亮点的二维图案。原子被自动吸引到这些点的中心，在一个平面上形成一个阵列（参见：用光学镊子固定的碱性原子）。德国达姆施塔特工业大学的Malte Schlosser说：“我们将这些镊子阵列带到三维空间”。

图注：一千个光点。在团队的设置中，激光束照射到左侧的微透镜阵列上。光学元件将出射光聚焦成重复的2D斑点图案。

为了获得三维晶格，Schlosser和他的同事利用了Talbot效应，这是一种在光撞击周期性结构（例如衍射光栅或微透镜阵列）时发生的干涉现象。从该结构射出的光会在超出该结构的某个固定距离处产生亮点的二维干涉图案，但也会产生与第一个平行的额外平面光斑。长期以来，塔尔博特效应一直被认为是镊子阵列研究的麻烦，因为它会产生“额外”的亮点来捕获杂散原子，从而干扰测量。Schlosser解释说，研究人员通过故意调整他们的光学系统以将原子捕获在额外的亮点中，从而将这个“错误变成了一个特征”。

研究人员将800毫瓦的激光照射到微透镜阵列上，微透镜阵列在透镜的焦平面上产生了一个由777个原子陷阱组成的二维方形阵列。但由于塔尔博特效应，这个二维阵列在17个平行平面中被复制，总共提供了10,000个原子陷阱。“这些Talbot飞机是免费提供的，所以我们不必投入额外的激光功率或额外的激光束，”Schlosser说。

作为他们系统的演示，Schlosser和他的同事们展示了他们可以用铷原子加载大约50%的陷阱，并在亚晶格中的所有原子中引起光学跃迁。未来，该团队计划使用聚焦激光束选择性地激发单个原子。这种光学控制可以让研究人员“读取”原子的状态或将其置于所谓的里德堡状态，使其与邻近原子相互作用。先前已经在二维镊子阵列中证明了原子-原子相互作用的控制。Schlosser预见到三维晶格中存在原子-原子相互作用，但目前平面之间的间距太大（大约100µm），需要10µm或更小的距离。

除了缩小晶格的间距外，该团队还计划探索其他陷阱几何形状，例如可以模仿石墨烯等材料的六边形图案。研究人员还在努力提高激光功率。更多的光会增加晶格中陷阱的数量。他们估计，将功率增加一倍将提供30,000个陷阱，将其增加四倍将产生接近100,000 个。

加州量子技术公司Atom Computing的创始人兼首席技术官 Ben Bloom表示，Schlosser和他的同事“正在应对任何量子计算技术将面临的最重要挑战之一。他说，新设计基本上可以免费创建大量原子量子位，但在尝试控制晶格内的原子方面将面临挑战。尽管如此，控制如此多的原子还是有实际好处的。Bloom说：“在三维中推动大量单独控制的原子将允许探索新的量子纠错码”。

这项研究5月5月发布于《物理评论快报》期刊上。

DOI:10.1103/PhysRevLett.130.180601