導讀
近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的科研人員設計出一個芯片，讓激光與微型原子雲在其上面進行交互，充當一個小型工具箱，以量子精準度測量重要的物理量，例如長度。
背景
近年來，科學家們對微觀尺度的精密測量日益重視，由此帶動了以量子力學基本原理為基礎的量子精密測量技術的快速發展。量子精密測量是量子信息科學的一個重要方向，旨在利用量子資源和效應實現超越經典方法的測量精度。
創新
近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的科研人員設計出一個芯片，讓激光與微型原子雲在其上面進行交互，充當一個小型工具包，以量子精準度測量重要的物理量，例如長度。
（圖片來源：Hummon/NIST）
正如在《Optica》雜誌上發表的論文中所描述的，NIST 的原型芯片可用於生成波長780納米的紅外線，作為校準其他儀器的參考長度來說，它已經足夠精準。NIST 芯片封裝了原子雲和光柵結構，將光波引導進入小於1平方釐米的面積，它的尺寸差不多是提供相似測量精度的其他小型設備的萬分之一。
NIST 物理學家 Matt Hummon 表示：“相比於其他採用芯片引導光波探測原子的設備，我們的芯片將測量精準度提高了百倍。我們的芯片目前依賴於一個小型外部激光器和光學平臺，但是在未來設計中，我們希望將所有東西都集成到芯片上。”
技術
許多設備都採用光線探測小型蒸汽室中原子的量子狀態。原子對於外部條件高度敏感，因此，它成為了極好的檢測器。這種基於光線與原子蒸汽交互的設備，可用於測量一些物理量，例如：時間、長度、磁場，應用於導航、通信、醫學及其他領域。一般來說，這種設備必須通過手工組裝。
NIST研發的新型芯片使外部激光光線通過新型波導和光柵結構傳輸，擴大光束直徑從而探測約1億個原子，直到它們從一個能級躍遷至另外一個能級。為了判斷原子吸收並用於能量躍遷的光線的頻率或波長，系統使用了光電探測器識別激光調諧，使得僅約一半的光線通過蒸汽室。
這項演示採用了銣原子氣體，但是芯片也可以採用更廣泛的原子和分子蒸汽，生成跨越整個可見光光譜及一些紅外波段的特殊頻率。一旦激光被適當調諧，原始激光中的一些會作為輸出被吸走，作為參考標準使用。
例如，NIST 的芯片可能會用於長度校準的測量儀器。這種國際長度標準是基於光速，而光速相當於光的波長乘以它的頻率。
NIST 研究小組領頭人 John Kitching 表示，更重要地是，新型芯片也顯示，激光器和原子蒸汽室有望在一起量產，像半導體一樣，採用硅材料和傳統芯片製造技術，而不像現有方法那樣通過手工集成笨重的光學元件和吹制玻璃蒸汽室。這項進展將應用於NIST的許多儀器，從原子鐘到磁傳感器和氣體光譜儀。
NIST 芯片長為14毫米（約0.55英寸），寬為9毫米（約0.35英寸）。波導由氮化硅製成，它可以控制各種光線頻率。蒸汽室是由硅和玻璃窗經過微機械加工製成，有點類似在NIST 芯片級的原子鐘和磁力計中使用的那些，也是由Kitching的研究小組開發。
光子芯片與微機械加工成的蒸汽室圖解
新型設備測量頻率的精準度是100秒內百億分之一的部分誤差，這個性能通過與一個獨立的NIST頻率梳對比得以驗證。Kitching 表示，這個性能水平對於如此小的東西來說已經非常好了，儘管全尺寸實驗室儀器會更加精準。
激光穩頻的光學裝置
價值
這項研究是“芯片上的NIST”（ NIST-on-a-Chip ） 項目的一部分，旨在設計出小型、便宜、低功率且易製造的測量工具原型，它們是基於量子的，因此從本質上講是精準的。這些工具幾乎在任何地方都可以使用，例如工業場所中的儀器校準。在這個項目中，NIST 開發的技術將通過私營部門製造和分發。
關鍵字
芯片、原子、測量、量子、校準
【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
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