Nature：激光冷却原子，实现混合量子系统

光子盒研究院出品

中性原子，有时被称为“冷原子”，是由一系列单个原子构成的，这些原子被困在室温真空中，通过使用激光作为光学“镊子”来限制单个原子的运动，从而使它们冷却（因此称为“冷原子”参考）。这些中性原子可以通过向它们发射某些激光脉冲而进入高度激发态，这会扩大外层电子的半径（里德堡态），这可以用来使它们彼此纠缠，以及其他特征。

虽然中性原子玩家使用的方法有一些显着差异，但也有许多相似之处。下图突出显示了代表广义冷原子方法的原子计算设置。它包括两组激光器和相关控制器以及 AOD（声光偏转器）、一个真空室和一个用于读取结果的光子敏感相机。

在中性原子量子处理器中，原子首先被加热成气态云，然后通过特定波长的紧密聚焦激光阵列（通常称为“光镊”）悬浮在超高真空中。

每种元素都会对非常特定波长的光做出反应，因此可以通过调谐到这些特定波长的激光来操纵。这些光镊还可用于将原子配置成特定的几何阵列。对于基于门的数字计算，可以通过不同的光脉冲对单门和多门实现进行编程。

虽然在量子计算中使用中性原子相对较新，但中性原子技术已成功部署在其他物理研究中，多年来一直为世界上最精确的原子钟提供动力。激光冷却技术基于获得 1997 年诺贝尔奖的研究，而光镊则基于获得 2018 年诺贝尔奖的研究。

3月22日，Kumar, A.等人在nature上发表论文Quantum-enabled millimetre wave to optical transduction using neutral atoms（使用中性原子实现量子毫米波到光转换），这意味着激光冷却原子使量子计算机网络更近了一步。

具体来说，光子可以用于局部的量子操作，但它们不能长距离地传输信息。这是因为，在室温下，低能量的光子在环境的热辐射中很丰富，使得携带量子信息的光子无法从热背景中区分出来。波长在可见光和近红外频率范围内的光子则没有这样的问题，它们具有更高的能量，可以通过纤维携带信息进行长距离传输，而且信息损失最小。在低能量和高能量光子之间转换量子信息将是建立量子计算机网络的关键。

为了解决这一问题，Kumar, A.团队报告了一个系统：将一个冷的⁸⁵Rb原子集合体同时耦合到目前来说是史无前例的光学可及的三维超导谐振器和一个低温（5K）环境下的振动抑制光腔。原子的价（外）电子可以通过吸收或发射光子来补偿能量差，从而在不同的能级之间转换。

“几十年来，将中性原子耦合到超导谐振器上，同时保持确定性控制，一直是量子光学界的一个积极目标。不仅是为了光子转换，也是为了它所能实现的各种量子实验。这项研究是我们实验室长期努力的结果，需要研究小组成员做出开创性的贡献。”

“我们必须克服几个技术上的挑战：设计一个有光学通道的超导谐振器；在高振动的低温真空中把光腔稳定在小于100皮米的长度范围内；精细控制超导腔；调整超导结构内的磁场等等。第一个真正引人注目的发现是当我们观察到超导毫米波腔和铷原子之间的强耦合。”团队成员L.T.和A.K.说到。

巨大的可能能量转换范围使原子成为具有巨大不同能量的光子之间相互转换的理想媒介。铷原子在光学波长的光子和毫米波至微波范围的光子的能量尺度上都有转换（图1a）。在这一平台上，激光冷却的铷原子被放置在一个谐振器内，该谐振器充当了光子的陷阱（图1b）。陷阱使光子和铷原子之间有更多的相互作用，因此，比在自由空间发生的相互转换更有效率。

在光学光子和毫米波光子之间进行转换。当铷原子的外层电子改变能级时，它会吸收或发射不同能量（波长）的光子。这一特性在将光学波长的光子转换为毫米波光子时非常有用。a, 左图，铷原子（⁸⁵Rb）中电子的能级（nS和nP子壳），以及相关的光的波长（左）。右图是互换器的示意图，Rb原子（紫色）和毫米波光子（绿色-黄色）位于中央。原子与一个同时捕获光频光子（红色）和毫米波光子（绿色）的谐振器装置相互作用。蓝色（481纳米）和紫外线（UV；297纳米）激光器在Rb原子的低能级和高能级电子之间进行对接。b，超导和光学谐振器的横截面，显示了毫米波和光学光子（780纳米）和激光束（481纳米和297纳米）的接入。图中还显示了装置中的镜架组件和毫米波波导。

氧离子发生器通过在两个面对面的镜子之间反复反射光子来捕获光子。它还在一个超导铌结构内有一个空心腔，可以捕获毫米波光子。为了评估互换器的性能，该团队将毫米波光子送入超导空腔，并计算光学谐振器中转换的光子数量。

互换器平均转换了58%的输入光子，与该团队先前理论预测一致。光学光子向毫米波光子的反向转换也与预测相一致。在5开尔文，即超导腔所需的工作温度下，预计平均热背景约为0.6毫米波光子，该团队通过在没有毫米波光子输入的情况下监测转换后的光子来证实这一低水平的噪声。

该互换器在实验室之外具有很好的影响。当与现有的超导量子比特平台集成时，它可以被用来形成一个量子计算机网络。互换器还可以作为单个毫米波光子的传感器，以替代被称为波尔计的设备。它将毫米波信号有效地转换为光信号的能力在某些领域可能是有价值的：在宇宙学中，它可以帮助寻找暗物质，在天体物理学中，它可以探测来自天体来源的毫米级光子。

与微波相比，毫米波光子在量子科学的背景下仍然基本上没有被探索。大多数超导平台在5千兆赫左右的微波频率下工作，而此次实验是在接近100千兆赫的毫米波光子下工作，这一平台有可能与在毫米波频率下工作的新兴量子电路技术相结合。此外，互换器也可以用微波操作，要么使用微波到毫米波的链接4，要么通过使用带有电子的原子显示不同的能量转换和冷却到0.5开尔文以下的较大的超导谐振器来抑制微波频率的背景热噪声，直接用微波工作。

“作者展示了毫米波光子和光学光子之间的相干转换。这种转换一直是最近研究的热门话题，其动机是需要将超导电路和光学光子连接起来，这是最快和最可靠的量子通信手段。更广泛地说，这项工作表明了由不同组件组成的混合量子系统在量子信息处理、存储和通信方面取得了重大进展，具有互补的功能。”

《自然》杂志高级编辑和团队经理Federico Levi评价这篇文章：“这项工作为混合方法的潜力提供了一个令人信服的理由。在这种方法中，不同的量子系统被耦合起来，以利用其互补的优势，用于量子技术。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-023-00323-7

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05740-2

[3]https://thequantuminsider.com/2023/03/22/pasqal-launches-first-neutral-atoms-quantum-computing-exploration-platform/

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