Focusing through coupled multimode fibers for miniaturized single-atom tweezer arrays

构建实用量子计算机和超灵敏传感器的探索，所面临的障碍并非来自理论，而是来自尺寸。为了操纵物质的最小单位（例如单个原子），科学家通常使用“光镊”，这本质上是高度聚焦的光束，像隐形的指尖一样将粒子固定在原位。在实验室中，这些光束通常是通过将光线射向大型、沉重的玻璃透镜来创建的。虽然这种方法很有效，但这些笨重的组件昂贵、脆弱，且难以实现完美对准。如果设备发生轻微移动，对原子的精细抓取就会丧失。为了让量子技术走出实验室并进入现实世界——例如用于保障通信或驱动未来的网络——研究人员需要体积更小、更轻便且足够稳健的系统，以便在环境控制较弱的真实场景中生存。

这正是光纤的灵活性所提供的极具前景的解决方案。与刚性的玻璃透镜不同，光纤是能够长距离引导光的细长、可弯曲的线条。然而，使用单根光纤来捕获原子存在一个主要局限：它就像一根单一的管道，很难创建多个可以快速移动且相互独立的陷阱。为了解决这个问题，德勒姆大学的研究人员开发了一种使用特殊类型光纤束的新方法，使他们能够从一个紧凑的设备中创建两个独立的、可控的陷阱。他们的工作展示了一条通往可重构原子阵列陷阱的路径，这种阵列可以适配于现实世界量子应用所需的微型封装。

团队首先使用了一种被称为熔合耦合器（fused coupler）的装置，这本质上是将两根多模光纤在一端熔合在一起以形成单一输出的设备。多模光纤的独特之处在于它们足够宽，可以同时携带许多不同的光模式，而不像标准光纤那样只能携带一种。研究人员将两束独立的激光连接到该耦合器的两个输入端。为了在光纤内部塑造光形，他们使用了数字微镜器件（digital micromirror device），这是一种覆盖着数千个微小镜片的芯片，这些镜片可以通过倾斜来精确引导光线模式。通过编程控制这些微镜，他们可以精确控制光波在穿过光纤时如何相互干涉，从而使光线在另一端聚焦成一个紧凑的点。

首先，研究人员测试了仅使用一个输入通道的系统。他们通过编程微镜，在光纤末端创造了一个单一且强烈的光点。他们测量了这个光点的大小，发现它极其微小，直径约为2.00微米，大约相当于一个细菌的大小。这个尺寸足以捕捉单个原子。他们还检查了光点在移动光纤相对于摄像机位置时的表现，确认了尽管光线在复杂的、扭曲的路径中传播，其焦点依然保持清晰，且表现得就像完美的透镜一样。

真正的突破发生在他们同时激活两个输入通道以创建两个独立陷阱时。过去，尝试通过单根光纤发送两束光往往会导致它们相互干涉，产生一种杂乱且不断变化的亮纹图案，这使得维持两个稳定、独立的原子位置变得不可能。为了防止这种情况，研究人员在其中一个通道中引入了微小的频率（或音调）差异。这种微小的偏移导致两束光之间的干涉发生极快速的振荡，以至于运动速度慢得多的原子仅仅感受到了两束光的平均值。其结果是产生了两个截然不同且稳定的陷阱，它们可以独立地定位。

随后，团队测试了这两个陷阱的控制能力。他们通过编程使系统将两个光点放置在彼此的不同距离处，并发现两个陷阱之间的实际距离与预定目标几乎完全吻合。更重要的是，他们测试了系统对失准的抵御能力。在许多光学系统中，如果进入光纤的光线没有瞄准得非常精准，输出光束就会发生偏移或晃动。然而，研究人员发现，当他们故意使一个通道的输入光束发生偏差时，由此产生的陷阱位置几乎没有移动。相反，陷阱只是变得变暗了。这意味着该系统具有很强的容错性；即使设备发生震动或轻微位移，原子仍能保持在完全相同的位置，这对于任何需要在现实世界中可靠运行的设备来说都是至关重要的要求。

研究人员还测量了这两个陷阱之间的相互干扰程度。他们发现，旨在发送给一个陷阱的光泄漏到另一个陷阱中的水平极低，几乎无法检测，仅相当于摄像机的随机背景噪声。这种高度的隔离意味着，例如，科学家可以在操纵特定原子而不干扰其邻居的情况下关闭其中一个陷阱。虽然目前的实验使用的是相对较低的功率，但作者指出，该方法与强度更高的激光器是兼容的，而这对于捕获更大数量的原子是必要的。

这项工作确立了熔合光纤耦合器可以作为创建光学陷阱阵列的紧凑且稳健的平台。通过结合光纤的灵活性与通过数字控制塑造光线的能力，研究人员展示了一种构建不仅更小、更便宜，而且在面对现实世界颠簸和震动时更加稳定的量子系统的方法。这项技术的下一步是利用这些陷阱来捕捉并排列真实的原子，从而为能够部署在野外而非仅仅停留在实验室台面上的量子网络和传感器铺平道路。