小型量子精密测量工具：可通过现有制造技术量产

导读

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科研人员设计出一个芯片，让激光与微型原子云在其上面进行交互，充当一个小型工具箱，以量子精准度测量重要的物理量，例如长度。

背景

近年来，科学家们对微观尺度的精密测量日益重视，由此带动了以量子力学基本原理为基础的量子精密测量技术的快速发展。量子精密测量是量子信息科学的一个重要方向，旨在利用量子资源和效应实现超越经典方法的测量精度。

创新

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科研人员设计出一个芯片，让激光与微型原子云在其上面进行交互，充当一个小型工具包，以量子精准度测量重要的物理量，例如长度。

（图片来源：Hummon/NIST）

正如在《Optica》杂志上发表的论文中所描述的，NIST 的原型芯片可用于生成波长780纳米的红外线，作为校准其他仪器的参考长度来说，它已经足够精准。NIST 芯片封装了原子云和光栅结构，将光波引导进入小于1平方厘米的面积，它的尺寸差不多是提供相似测量精度的其他小型设备的万分之一。

NIST 物理学家 Matt Hummon 表示：“相比于其他采用芯片引导光波探测原子的设备，我们的芯片将测量精准度提高了百倍。我们的芯片目前依赖于一个小型外部激光器和光学平台，但是在未来设计中，我们希望将所有东西都集成到芯片上。”

技术

许多设备都采用光线探测小型蒸汽室中原子的量子状态。原子对于外部条件高度敏感，因此，它成为了极好的检测器。这种基于光线与原子蒸汽交互的设备，可用于测量一些物理量，例如：时间、长度、磁场，应用于导航、通信、医学及其他领域。一般来说，这种设备必须通过手工组装。

NIST研发的新型芯片使外部激光光线通过新型波导和光栅结构传输，扩大光束直径从而探测约1亿个原子，直到它们从一个能级跃迁至另外一个能级。为了判断原子吸收并用于能量跃迁的光线的频率或波长，系统使用了光电探测器识别激光调谐，使得仅约一半的光线通过蒸汽室。

这项演示采用了铷原子气体，但是芯片也可以采用更广泛的原子和分子蒸汽，生成跨越整个可见光光谱及一些红外波段的特殊频率。一旦激光被适当调谐，原始激光中的一些会作为输出被吸走，作为参考标准使用。

例如，NIST 的芯片可能会用于长度校准的测量仪器。这种国际长度标准是基于光速，而光速相当于光的波长乘以它的频率。

NIST 研究小组领头人 John Kitching 表示，更重要地是，新型芯片也显示，激光器和原子蒸汽室有望在一起量产，像半导体一样，采用硅材料和传统芯片制造技术，而不像现有方法那样通过手工集成笨重的光学元件和吹制玻璃蒸汽室。这项进展将应用于NIST的许多仪器，从原子钟到磁感测器和气体光谱仪。

NIST 芯片长为14毫米（约0.55英寸），宽为9毫米（约0.35英寸）。波导由氮化硅制成，它可以控制各种光线频率。蒸汽室是由硅和玻璃窗经过微机械加工制成，有点类似在NIST 芯片级的原子钟和磁力计中使用的那些，也是由Kitching的研究小组开发。

光子芯片与微机械加工成的蒸汽室图解

（图片来源：参考资料【2】）

新型设备测量频率的精准度是100秒内百亿分之一的部分误差，这个性能通过与一个独立的NIST频率梳对比得以验证。Kitching 表示，这个性能水平对于如此小的东西来说已经非常好了，尽管全尺寸实验室仪器会更加精准。

激光稳频的光学装置

（图片来源：参考资料【2】）

价值

这项研究是“芯片上的NIST”（ NIST-on-a-Chip ） 项目的一部分，旨在设计出小型、便宜、低功率且易制造的测量工具原型，它们是基于量子的，因此从本质上讲是精准的。这些工具几乎在任何地方都可以使用，例如工业场所中的仪器校准。在这个项目中，NIST 开发的技术将通过私营部门制造和分发。

关键字

芯片、原子、测量、量子、校准

参考资料

【1】https://www.nist.gov/news-events/news/2018/04/mini-toolkit-measurements-new-nist-chip-hints-quantum-sensors-future

【2】Matthew T. Hummon, Songbai Kang, Douglas G. Bopp, Qing Li, Daron A.
Westly, Sangsik Kim, Connor Fredrick, Scott A. Diddams, Kartik
Srinivasan, Vladimir Aksyuk, John E. Kitching. Photonic chip for laser stabilization to an atomic vapor with 10?11 instability. Optica, 2018; 5 (4): 443 DOI: 10.1364/OPTICA.5.000443