中性原子量子计算进展：捕获原子的新方法
原子是出了名的难以控制。它们从最坚固的容器中穿过，甚至在接近绝对零度的温度下也会抖动。尽管如此，科学家们需要捕获和操纵单个原子，以使原子钟/量子计算机等量子设备能够正常运行。如果单个原子可以在大型阵列中被捕获和控制，它们就可以用作量子比特，其状态或方向最终可能被用来进行计算，速度远远超过目前最快的超级计算机。
美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员与JILA（科罗拉多大学和NIST在博尔德的联合研究所）的合作者一起，首次证明单原子捕获可以通过一种新的小型化“光镊”——一种使用激光束作为“筷子”来抓取原子的系统。
8月1日，研究成果以《超表面透镜光镊中的单原子捕获》为题[1]发表在《PRX QUANTUM》期刊上。
使用一个平面玻璃表面的光聚焦图形说明实验成果，该平面玻璃表面镶有数以百万计的“纳米柱”（metalens，超镜头），形成一个光镊。a）设备的横截面描述了平面光波，通过不同大小的纳米柱产生二次波来聚焦；b)同样的纳米柱被用来捕获和成像单个铷原子。
获得2018年诺贝尔物理学奖的光镊的特点是在真空外有笨重的厘米级透镜，或显微镜物镜夹住单个原子。NIST和JILA以前曾使用这种技术，并取得了巨大的成功：创建了一个原子钟。
在新的设计中，NIST团队没有使用典型的透镜，而是使用了非常规的光学器件——一个长约4毫米的方形玻璃片，上面印有数百万个高度只有几百纳米（十亿分之一米）的“柱子”，它们共同充当了微小的透镜。这些被称为“超表面”的压印表面可以聚焦激光，以捕获、操纵和成像蒸气中的单个原子。与普通的光镊不同，超镜头可以在被困原子云所在的真空中进行操作。
用光镊诱捕的超表面光学器件。(a)在500微米厚的熔融石英基片（浅蓝色）上，包含一个周期性阵列（晶格常数=280纳米）的非晶硅（a-Si）纳米柱（高度660纳米）；(b)超表面透镜操作的概念图，显示了光的传播（粉红色）、波阵面（虚线），以及由纳米柱重新发射的次級子波（黑色半圆），它们相互干扰，形成聚焦的波阵面；(c)用双轴声光偏转器产生的多个输入光束创建的阵列中的单原子的诱捕（粉红色）和荧光成像（绿色）的光学设置；(d)通过对多次实验迭代（100次）结果平均，每个图像中的单原子概率约为52%，创建了一个被捕获的87Rb阵列图像。
超表面在真空中的安装。(a)光学接触在楔形熔融石英样品架上的超表面样品照片；(b)为852纳米光镊光束设计的NA=0.55的金属样品；(c)光镊和电荷耦合器件（CCD）相机如何通过基片背反射对准超表面样品的示意图；(d)光镊成像路径示意图，结果显示，透镜L1和L2没有引入额外的像差；(e)真空室端视图，显示探针光束（也是共振加热光束）的方向与金属样品和光镊光束的关系。
该过程涉及几个步骤。首先，具有特别简单形式的入射光纤，称为“平面波”（平面波就像移动的平行光片，具有统一、均匀的波阵面或相位，其振动彼此保持同步，并且在移动过程中既不发散也不收敛），会撞击成组的微小纳米柱。纳米柱的分组将平面波转换为一系列的小波（wavelet），每个小波都与它相邻的小波稍微不同步。因此，它们可以在不同的时间达到峰值。
这些小波分析相互结合或“干涉”，使它们将所有能量集中在一个特定的位置——要被捕获的原子位置。
根据入射平面光波撞击纳米柱的角度，小波分析会聚焦在略微不同的位置，从而使光学系统能够捕获一系列位于略微不同位置的单个原子。
NIST研究员Amit Agrawal说[2]：“由于微型平面透镜可以在真空室内操作，并且不需要任何移动部件，因此无需构建和操纵复杂的光学系统就可以捕获原子。”在这项新研究中，Agrawal和另外两名NIST科学家Scott Papp、Wenqi Zhu，以及来自JILA的Cindy Regal小组的合作者，设计、制造和测试了超表面，并进行了单原子捕获实验。
根据论文，研究人员报告说他们分别捕获了九个铷原子。Agrawal说：“同样的技术，通过使用多个超表面或一个具有大视野的超表面来扩大规模，应该能够限制数百个单原子，并且可以引领使用芯片级光学系统来常规地捕获原子阵列。”该系统将原子固定在原位大约10秒，这足以研究粒子的量子力学特性并利用它们来存储量子信息（量子实验在千万分之一秒到千分之一秒的时间尺度上进行）。
为了证明他们成功捕获铷原子，研究人员用一个单独的光源照亮它们，使它们发出荧光。然后，超表面发挥了第二个关键作用。最初，他们塑造并聚焦了捕获铷原子的入射光；现在，超表面捕获并聚焦了由这些相同原子发出的荧光，将荧光辐射重新定向到一个相机中，以便对原子进行成像。
超表面可以做的不仅仅是捕获单个原子：通过精确地聚焦光线，超表面可以将单个原子引导到特殊的量子态，为特定的原子捕获实验量身定制。例如，由微小透镜引导的偏振光可以导致原子的自旋（一种类似于地球绕其轴自转的量子属性）指向一个特定的方向。聚焦的光和单个原子之间的这些相互作用对于许多类型的原子级实验和设备很有用，包括未来的量子计算机。
参考链接：
[1]https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.030316
[2]https://www.nist.gov/news-events/news/2022/08/nist-researchers-develop-miniature-lens-trapping-atoms