新一代量子设备可在单个芯片上控制多个激光器

美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员开发了芯片级设备，用于同时控制多束激光的颜色、焦点、传播方向和偏振。

使用单个芯片调整这些特性的能力，对于制造新型便携式传感器至关重要，这种传感器能够以前所未有的精度测量如旋转、加速度、时间和磁场等基本量，这超出了实验室的限制。

通常情况下，一个像餐桌一样大的实验室工作台需要容纳各种各样的透镜、偏光器、镜子和其他设备，这些设备甚至需要操纵一束激光。然而，许多量子技术，包括微型光学原子钟和一些未来的量子计算机，将需要在一个小空间区域内同时访问多种、广泛变化的激光颜色。

NIST的研究人员设计并制造了这种片上系统，以形成多个激光束（蓝色箭头），并在光被送入太空与设备或材料相互作用之前控制其偏振。三个组件都有助于操纵激光束：一个倏逝耦合器（EVC），它将光从一个设备耦合到另一个设备；元光栅（MG），一种压印有数百万个小孔的微小表面，可以像大型衍射光栅一样散射光；以及超表面（MS），一种镶嵌着数百万个柱子的小玻璃表面，用作透镜。

为了解决这个问题，NIST科学家Vladimir Aksyuk和他的同事们结合了两种芯片规模的技术：集成光子电路，它使用微小的透明通道和其他微型组件来引导光线;还有一种非常规光学的来源被称为光学超表面。这种表面由玻璃晶片组成，晶片上有数百万个微小结构，高度只有几千亿分之一米，不需要笨重的光学装置就能操纵光的性质。

Aksyuk和他的合作者证明，一个光子芯片完成了36个光学组件的工作，同时控制了的12个激光束的方向、聚焦和偏振（光波传播时振动的平面），分成四种不同颜色。

该团队还展示了这种微型芯片可以引导两束不同颜色的光束相互平行运动，这是某些类型的先进原子钟的要求。他们在《光：科学与应用》（ Light: Science & Applications）报道了他们的研究成果。

NIST团队成员Amit Agrawal说：“用一个可以在洁净室中制造的简单半导体晶圆取代装满笨重光学元件的光学工作台，真正改变了游戏规则。”他补充说：“这些技术是必要的，因为它们坚固而紧凑，并且可以在现实条件下轻松地重新配置用于不同的实验。”

Aksyuk指出，基于芯片的光学系统正在开发中。例如，激光还不足以将原子冷却到小型化先进原子钟所需的超低温。虽然激光通常会给原子提供能量，使它们升温并移动得更快，但如果仔细选择光的频率和其他性质，情况就会相反。在撞击原子时，激光光子会诱导原子放弃能量并冷却，这样它们就可以被磁场捕获。

Aksyuk说：“即使没有冷却能力，微型光学系统也是在芯片上建造先进原子钟的关键一步。”

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