光镊技术与原子俘获

This page is not translated yet. Showing the Chinese version as fallback content.

本章介绍光镊势阱的形成原理、冷原子装载过程与单原子阵列的制备

如何将室温下高速飞行的中性原子牢牢“钉”在真空腔的指定位置？
为什么把原子“变冷”和把原子“装进光镊”并不是一回事？
怎么保证我们最终得到的是一个完美的“单原子阵列”，而不是每个位置随机抓到好几个原子？

捕捉原子的挑战

在上一章中我们了解到，中性原子拥有极佳的相干时间、完美的全同性、天然的可扩展性，是极具潜力的量子物理平台。但这里存在一个巨大的工程痛点：如何把这些独立的原子排布成我们想要的计算阵列？

不同于离子（本身带电，可以利用电磁场构成的离子阱将其牢牢锁住控制）或超导电路（可以直接用光刻机物理地刻蚀在微芯片固体上），中性原子不带净电荷，在真空室温状态下还以数百米每秒的速度像没头苍蝇一样四处乱窜。如果试图用传统的宏观物理容器去约束它们，它们不可避免地会撞击器壁，导致脆弱的量子态瞬间被摧毁。我们需要一种无形的手，在真空中轻轻捏住它们，把它们安置在指定的网格上，这只手就是光镊（Optical Tweezers）。

用光施加引力

当高数值孔径（Numerical Aperture, NA）的显微物镜系统（你可以将 NA 简单理解为镜头“拢光”的硬指标，NA 越大，激光的焦点就能被捏得越紧、越小）把一束激光强力聚焦到一个微米甚至亚微米级的极小区域时，奇妙的物理现象发生了——只要激光的频率选取合适（通常略微低于原子吸收的共振频率，称为红失谐（Red-detuning）），原子内部的电荷分布就会在强光的电磁场下发生极化，从而感受到一个依赖于空间位置的偶极势。

最简化地表述，这种偶极势阱的能量可以写为：

U(\mathbf{r}) \propto - \alpha(\omega) I(\mathbf{r})

这里 $\alpha(\omega)$ 是与激光频率 $\omega$ 相关的原子极化率，而 $I(\mathbf{r})$ 则是光强的空间分布。因为焦点中心的光强最大，形成一个能量势阱，靠近它的中性原子就会像受重力吸引滚入深谷的弹珠一样，被困在光束聚焦的中心点。

冷却与装载：不一样的职责

但光镊就像是光洁公路上一个极其微弱平缓的小坑。如果是跑车以时速三百公里疾驰而过，就根本不会掉进坑里，甚至都感觉不到坑的存在，所以：

冷却（Cooling） 解决的是“原子够不够慢、够不够稳”的问题。我们需要先用其他激光手段把原子的动能完全压低，这样它们才能够在后续有机会落入极为微浅的光镊势阱并稳定停留。
装载（Loading） 解决的是“有没有原子”的问题。它的目标是把自由空间的原子真正输送进某个可用的光镊位点。控制系统还需要极力确保每个位点最后处于“有且仅有一个原子”的状态。

一条典型的实验组装链

要完成从一团“杂乱无章的气体”到可用于计算的“全发光单原子阵列”蜕变，现代大型原子实验平台通常遵循以下的分步流水线[1]：

1. 供料与收集：磁光阱（MOT）

实验一开始往往从高温热蒸气室或其他源头获取热原子云。科学家们首先会利用磁光阱（Magneto-Optical Trap, MOT）[2][3]技术，通过在空间三维中相互交织的六束冷却激光，配合特殊的四极磁场，它就像漏斗一般，能把热原子流拉拢聚集起来，作为后续流程的“候选素材”。

2. 重度预冷：光学黏性（Optical Molasses）

正如前述，光镊坑通常深度极浅（典型的阱深不到 $1\text{ mK}$ ）。从MOT出来的原子有时仍然过于活泼，于是很多系统会在 MOT 之后进一步实行**偏振梯度冷却（Polarization-Gradient Cooling, PGC）**或其他形式的光学黏性技术[5]，将原子热运动进一步压低。

3. 光镊阵列

真正的计算需要矩阵而非单点。要实现成百上千的原子阵列，我们显然不可能给每一个光镊都搭配一束独立的激光器。所以，我们借助空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）或射频驱动的声光偏转器（Acousto-Optic Deflector, AOD）[8][9]，将一束高功率的激光束，转化成真空腔里整齐划一、势深均匀的光镊阵列。

4. 随机吸附

原本散落的原子被光镊阵列吸附之后，每个坑里大概率会进入 0 个或者多个原子。为了让所有“上工”的都是标准的单原子，我们需要精心设计一束照射激光，让呆在同一个坑里的原子产生光辅助碰撞（Light-Assisted Collisions）[11][12]，碰撞产生的动能会将成对原子猛烈抛出。一连串筛选过后，每个光镊都只会保留干干净净的 $1$ 个原子，或者什么也没有。

5. 荧光点兵

为了最终的计算操作，现在还必须确认每一个光镊里的装载情况。常用手法是借用另一束激光照射全体阵列，俘获于光镊中的原子受激后将会发出极为微弱的光子信号[4][6]。借用高孔径物镜收纳这些光子，投射至 CMOS 灵敏相机上，我们就能知道阵列里哪里正确装载了原子，哪里还是空的。通过进一步的闭环反馈控制，让光镊拖着原子重新排列，就能实现我们最终需要的规则阵列。

参考文献

A. M. Kaufman and K.-K. Ni, “Quantum science with optical tweezer arrays of ultracold atoms and molecules,” Nature Physics 17, 1324-1333 (2021). Link
H. Manetsch et al., “A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits,” Nature 647, 60-67 (2025). Link
G. Ferrari et al., “A compact strontium 2D magneto-optical trap as a source of cold atoms,” European Physical Journal D 32, 281-284 (2005). Link
F. Abdel Karim et al., “Single-atom imaging of 173Yb in optical tweezers loaded by a five-beam magneto-optical trap,” arXiv (2025). Link
A. M. Kaufman et al., “Cooling a Single Atom in an Optical Tweezer to Its Quantum Ground State,” Physical Review X 2, 041014 (2012). Link
S. Saskin et al., “Narrow-line cooling and imaging of Ytterbium atoms in an optical tweezer array,” Physical Review Letters 122, 143002 (2019). Link
D. Barredo et al., “An atom-by-atom assembler of defect-free arbitrary two-dimensional atomic arrays,” Science 354, 1021-1023 (2016). Link
H. Kim et al., “In situ single-atom array synthesis using dynamic holographic optical tweezers,” Nature Communications 7, 13317 (2016). Link
N. Schlosser et al., “Sub-poissonian loading of single atoms in a microscopic dipole trap,” Nature 411, 1024-1027 (2001). Link
T. Grunzweig et al., “Near-deterministic preparation of a single atom in an optical microtrap,” Nature Physics 6, 951-954 (2010). Link

本章 takeaway 借助磁光阱冷却、“光镊”阵列装载，把一团随机游走的热气体变成一个个离散、可重排的单原子，中性原子量子计算的一切故事，都是从这里开始的。