利用超表面光镊阵列捕获单个原子

《Nature》：Trapping of single atoms in metasurface optical tweezer arrays

光学镊阵列作为量子计算、模拟和测量的关键平台，通过全息超表面技术实现了超过100个单原子二维阵列，陷阱间距最小1.5μm，并成功制造了360,000个陷阱的阵列，突破了中性原子量子技术可扩展性障碍。

　　

摘要

光学镊子阵列已成为量子计算^3,4、量子模拟^5,6和量子计量^7,8领域的关键实验平台^1,2，能够实现对单个原子和分子前所未有的控制水平。然而，如何扩展这类阵列的规模已成为一个重要挑战。传统上，光学镊子阵列是通过声光偏转器或液晶空间光调制器来实现的。由于光学分辨率的限制，阵列的规模通常最多只能达到约10,000个陷阱^{9。而由数百万个亚波长像素组成的平面光子器件（即超表面10,11）为光学镊子阵列的生成提供了新的解决方案12。在本研究中，我们展示了如何利用全息超表面来捕获单个锶原子。我们成功构建了二维阵列，其中包含超过100个锶原子，这些原子可以按照任意几何形状排列，陷阱间距小至1.5微米。这些阵列在陷阱深度、陷阱频率和位置精度方面表现出极高的均匀性，与现有技术相当甚至更优。这一成就得益于采用高折射率材料（富含硅的氮化硅和二氧化钛）制造的高效全息超表面。通过分析和数值计算，我们发现这些超表面的亚波长像素尺寸使得光学镊子阵列的规模可以远超当前的技术限制。作为验证，我们实现了拥有360,000个陷阱的光学镊子阵列。这些进展为开发可扩展的中性原子量子技术克服了关键障碍。}