量子源联合魏茨曼研究所，单原子稳定捕获于光子芯片

量子技术的进步往往源于对微观世界极其精细的控制，例如将物体静止固定、置于特定场中或使其以可预测的方式与光相互作用。近日，量子源公司（ Source）与以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的研究团队在arXiv预印本上发表了一项重要成果：他们成功将单个铷原子捕获在距离氮化硅光子谐振器仅150至200纳米的范围内。这一距离足以让原子与芯片上限制的光场发生高效相互作用，标志着中性原子量子系统与集成光子学平台之间的一座关键桥梁得以初步打通。

这一成果的意义在于弥合了量子信息领域两大主流技术路线之间的实践鸿沟。中性原子因其定义明确的量子态和较长的相干时间而备受推崇，而集成光子学则提供了紧凑的光学电路，且可利用半导体行业成熟的工艺进行制造和扩展。将两者结合有望支持量子网络、光子介导的逻辑运算以及基于芯片的量子光学系统。然而，核心难点在于：原子必须被极度靠近光波导结构（即光场Zui强处），同时又需保持足够距离以避免因表面力而丢失。

在芯片表面附近工作面临巨大挑战。为了与光子电路中的光产生强相互作用，原子必须位于受限光场Zui强的区域，但此时芯片本身成为干扰源，表面力会将原子从预期陷阱中拉走，且定位容错率极低。早期实验虽已在纳米级光学结构（如悬浮器件、光学纳米纤维）附近捕获原子，但这些系统难以直接转化为集成光学电路中常用的稳定平面光子芯片。新研究提出的“单次加载”（single-stroke loading）方法巧妙解决了这一难题。

在该实验中，超冷铷原子从冷原子源向上发射，飞向氮化硅微环谐振器。当原子接近芯片时，会遇到延伸至谐振器表面之外的一层薄光场。这层光场充当了光学“防撞缓冲垫”，在原子接触芯片前使其减速。随后，单个散射光子可将原子移动到另一个内部状态，使其被靠近表面形成的第二光场捕获。该方案的核心优势在于其简洁性：无需经过多次重复循环的冷却过程，也不需要快速反馈或开放的光学访问权限。在一次不可逆的散射事件中移除足够的动能，即可将原子置于近表面陷阱中。在条件下，研究人员报告称每次加载脉冲的捕获概率约为30%。对于这种每个原子仅有一次通过芯片并被捕获机会的过程而言，这是一个具有实质意义的结果。

一旦原子被捕获，研究人员便可通过检测发射到谐振器并随芯片传输的光子来读取信号。为确认信号源自单个原子而非多个原子或杂散光，团队测量了光子反聚束（photon antibunching）特性。这是量子光学中的标准测试：单个发射体无法在同一时刻释放两个光子。实验测得的数值低于识别单发射体行为的典型阈值，证实了单原子特性。

原子与谐振器的强相互作用还改变了其发光方式。通常，激发态铷原子向自由空间发射光子的寿命为26.2纳秒。而在谐振器附近，对于一种陷阱配置，该寿命缩短至16.3±0.4纳秒。这种缩短表明，谐振器增加了原子向芯片引导光模式发射而非随机辐射到自由空间的概率。在Zui小的原子-芯片距离下，研究人员报告了单原子合作度（cooperativity）为C = 1.57 ± 0.36。合作度衡量的是原子与光模相互作用强度与信息损耗途径的对比。虽然大于1的值并不意味着系统已准备好用于容错量子计算或大规模量子网络，但它确实证明原子并非仅仅停留在芯片附近，而是以可测量的方式强烈影响了发射过程。

寿命结果既展示了平台的潜力，也揭示了当前的限制。在某些情况下，即使没有持续冷却，被捕获的原子也能保持长达一秒钟的暗时间。但在更多情况下，信号在广泛的时间尺度上衰减，而非遵循单一的简单衰减曲线。作者将其归因于原子加载深度的差异以及原子逐渐从近表面陷阱逃逸（可能朝向芯片表面）。他们建议，未来的系统版本可通过增加冷却步骤来延长捕获寿命。

这一成果的定位是一个基础模块，而非完整的量子机器。实验并未展示在芯片上执行逻辑运算的原子阵列，而是展示了将单个中性原子放置在平面集成谐振器的近场中，使其与引导模相互作用，并通过芯片读取 resulting 光子的方法。如果该方法能扩展至多个捕获位点，与更低损耗的谐振器集成，并实现更长时间的稳定运行，它将为原子提供非线性光学相互作用、光子在电路中传输量子信息的架构做出贡献。

作者还指出，改进谐振器制造工艺、降低本征损耗、优化耦合器以及采用光子晶体模式均可提高合作度。这些是集成光子学中熟悉但极具挑战的方向。这使得该结果不仅作为原子物理学的演示具有价值，更是迈向量子发射体与光子电路协同设计系统的重要一步。目前，这一成就的性和局限性并存：单个原子已被极度靠近兼容CMOS工艺的光子谐振器捕获，并显示出与其引导光模的高效耦合。实验在字面意义上将中性原子拉近了芯片，也缩小了原子量子系统与集成光子平台之间的距离。尽管剩余工作依然艰巨，但研究者为后续探索提供了更清晰的起点。