中科大首次实现芯片集成冷原子磁光阱系统 推动量子技术应用

双芯片磁光阱原理示意图（左）和所捕获冷原子的CCD成像照片（右），图片来自中国科学技术大学磁光阱可以对原子蒸气进行冷却和俘获，在现代原子物理领域具有广泛的应用前景。通过磁光阱获得的冷原子系综，是实现长相干时间量子比特，以及实现基于此的量子精密测量、量子模拟与计算等应用的必要基础。

然而，传统磁光阱系统在进一步可扩展应用上受到部分制约，例如多路自由空间光束对准、庞大的反亥姆霍兹线圈、以及磁场和光场中心的严格重合等挑战。因此，如何实现小型化乃至芯片化的磁光阱系统吸引了国际上的广泛兴趣。其中，基于光栅芯片的磁光阱极大简化了传统磁光阱中六束空间光的入射系统，不仅体积小、重量轻、光窗口丰富、可扩展性高，还在移动式量子精密测量系统、集成化量子计算系统中有巨大潜力。

但对于磁光阱的另一重要组成部分——磁场线圈，此前仍然只能采用三维的线圈来实现。如果磁场线圈的尺寸较大，则需要更粗的导线和更强的电流来实现所需的磁场梯度，最终功耗大，发热严重。如果将线圈的尺寸减小，则线圈可能会严重阻碍光路，减小可供使用的光学窗口大小。

为此，郭光灿院士团队邹长铃课题组与卢征天教授合作，提出了一种全新的平面化磁场线圈构型，仅需一块3cm×3cm的芯片，即可产生磁光阱所需的四极磁场。基于中科大的微纳加工中心，他们自主设计和加工了相互匹配的磁场芯片与光栅芯片，并基于此成功地俘获了超过106个低温87Rb原子，证明了这个新颖构型的实用性。他们将独立设计的磁场芯片与光栅芯片结合，实现了基于双芯片的冷原子磁光阱系统。相关成果近日在线发表于《Physical Review Applied》期刊。