Les chercheurs de l'UC Santa Barbara s'efforcent de déplacer des expériences et des applications quantiques d'atomes froids de la table de laboratoire aux systèmes basés sur des puces, ouvrant de nouvelles possibilités de détection, de chronométrage de précision, d'informatique quantique et de mesures scientifiques fondamentales.
« Nous sommes au point de basculement », a déclaré Daniel Blumenthal, professeur de génie électrique et informatique.
Dans un article invité qui a également été sélectionné pour la couverture de Optica quantumBlumenthal, ainsi que le chercheur étudiant diplômé Andrei Isichenko et le chercheur postdoctoral Nitesh Chauhan, présente les derniers développements et orientations futures pour piéger et refroidir les atomes qui sont fondamentaux pour ces expériences – et cela les amènera aux appareils qui s'adaptent dans le paume de votre main.
Les atomes froids sont des atomes qui ont été refroidis à des températures très basses, en dessous de 1 Mk, réduisant leur mouvement à un régime d'énergie très faible où les effets quantiques émergent. Cela les rend sensibles à certains des plus faibles signaux électromagnétiques et des particules fondamentales, ainsi que des dispositifs de navigation idéaux, des dispositifs de navigation et des «qubits» quantiques pour le calcul.
Afin de capitaliser sur ces propriétés, de nombreux chercheurs travaillent actuellement avec des systèmes optiques atomiques à l'échelle de laboratoire hautement sensibles pour confiner, piéger et refroidir les atomes.
Conventionnellement, ces systèmes utilisent des lasers et des optiques à espace libre, générant des poutres guidées, dirigées et manipulées par des lentilles, des miroirs et des modulateurs. Ces systèmes optiques sont combinés avec des bobines magnétiques et des atomes dans le vide pour créer des atomes froids en utilisant le piège magnéto-optique en 3 dimensions omniprésent (3D-Mot).
Le défi auquel les chercheurs sont confrontés est de savoir comment reproduire les fonctions laser et optique sur un petit appareil durable qui pourrait être déployé en dehors de l'environnement hautement contrôlé du laboratoire, pour des applications telles que la détection gravitationnelle, le chronomètre de précision et la métrologie et l'informatique quantique.
Le Optica quantum L'article de revue couvre les progrès récents et rapides dans le domaine de la miniaturisation des expériences complexes à atomes froids via des applications d'optique compacte et de photonique intégrée. Les auteurs font référence aux réalisations photoniques à travers une variété de sous-champs, allant des télécommunications aux capteurs et cartographient le développement technologique à la science de l'atome froid.
« Il y a eu beaucoup de travail vraiment génial en miniaturisant la livraison de faisceaux », a déclaré Isichenko, « mais cela a été fait avec des composants qui sont toujours considérés comme des optiques en espace libre – des miroirs de mallier ou des réseaux plus petits – mais vous ne pouviez toujours pas intégrer plusieurs fonctionnalités sur une puce. »
Entrez dans le moteur 3D intégré photonique des chercheurs, une version miniaturisée de l'équipement utilisé largement dans des expériences pour fournir des faisceaux de lumière au laser refroidir les atomes. Intégrée dans une plate-forme d'intégration de guide d'onde de nitrure de silicium à perte à perte, c'est la partie d'un système photonique qui génère, achemine, expanse et manipule tous les faisceaux nécessaires pour piéger et refroidir les atomes.
L'article de revue met en évidence la photonique intégrée 3D-Mot – ou « PicMot » démontré par l'équipe UC Santa Barbara comme étape importante pour le terrain.
« Avec la photonique, nous pouvons fabriquer des lasers sur la puce, des modulateurs sur la puce et maintenant des émetteurs de réseau de grandes surfaces, ce que nous utilisons pour allumer et hors de la puce », a ajouté Isichenko.
La cellule atomique est particulièrement intéressante, une chambre à vide où les atomes sont piégés et refroidis. Un exploit que les chercheurs accomplissaient a été d'acheter la lumière d'entrée d'une fibre optique, qui est inférieure à la largeur d'un cheveux, via des guides d'ondes vers trois émetteurs grinçants qui génèrent trois faisceaux qui se croisent en espace libre collimates de 3,5 mm de large.
Chaque faisceau se reflète sur lui-même pour un total de six faisceaux d'intersection qui piègent un million d'atomes de la vapeur à l'intérieur de la cellule et, en combinaison avec des champs magnétiques, refroidir les atomes à une température de seulement 250 Royaume-Uni. Plus les poutres sont grandes, plus les atomes peuvent être piégés dans un nuage et interrogé, Blumenthal noté, et plus un instrument peut être précis.
« Nous avons créé pour la première fois des atomes froids avec une photonique intégrée », a déclaré Blumenthal.
Les implications des innovations des chercheurs sont de grande envergure. Avec des améliorations planifiées de la durabilité et des fonctionnalités, les futurs conceptions MOT à l'échelle des puces peuvent profiter d'un menu de composants photoniques, y compris des résultats récents avec des lasers à l'échelle des puces.
Cela peut être utilisé pour optimiser la technologie pour des applications aussi divers que la mesure de l'activité volcanique aux effets de l'élévation du niveau de la mer et du mouvement des glaciers en détectant le gradient de gravité sur et autour de la terre.
L'intégration du mot 3D peut donner aux scientifiques quantiques et aux gardiens de temps de nouvelles façons d'envoyer des instruments terrestres d'aujourd'hui dans l'espace et de mener de nouvelles sciences fondamentales, et de permettre des mesures non possibles sur Terre.
De plus, les appareils pourraient faire progresser les projets de recherche en diminuant le temps et les efforts consacrés à l'établissement et à l'accorder des configurations optiques. Ils peuvent également ouvrir la porte à des projets de recherche quantique accessibles pour les futurs physiciens.
