近日，美国马里兰大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种基于集成微环谐振器与碱金属原子蒸气的光子技术。这种新技术能够实现强原子-光子相互作用，向单原子、单光子操控迈进。该工作以“Strong interactions between integrated microresonators and alkali atomic vapors: towards single-atom, single-photon operation”为题，发表在《Optica》期刊上。
量子电动力学（cQED）领域中的强原子-腔相互作用是量子计算、通信和测量等量子技术的重要基础。在过去的研究中，尽管冷原子、量子点和晶体中的色心已展示出单光子操作的潜力，但这些系统通常需要复杂的物理设备，如低温装置或真空腔。然而，碱金属原子蒸气因其较简单的实验设置成为了替代选择。然而，由于原子运动造成的短暂相互作用时间限制了其在量子操作中的应用。
图1：器件示意图
为了克服这一挑战，研究团队提出了一种全新的集成光子平台，结合了高质量因子微环谐振器与碱金属原子蒸气（铷原子），在小体积光学模式中实现了强光-物质相互作用。通过这一创新平台，他们成功实现了数十个铷原子与腔模的强耦合，并观测到在少量原子甚至单个原子下的光子饱和效应。
图2：测试平台。
团队开发了一个集成的硅氮化物（SiN）微环谐振器，结合87铷原子蒸气，利用集成加热器实现了谐振器的频率调谐与长期稳定运行。在实验中，他们展示了约50个原子与高质量因子腔模的强耦合，相互作用强度达到了每秒10亿赫兹。进一步的实验中，即使仅有少于三个原子参与相互作用时，依然能够观察到显著的光子饱和效应。这为未来的单原子、单光子强耦合研究奠定了基础。
这种新型微环谐振器系统能够在常温下工作，不需要低温或真空环境，极大地简化了实验条件。这种集成平台的进一步优化有望在单光子和单原子之间实现更强的耦合，使其成为量子光学器件、量子计算节点、以及光子存储设备的理想候选者。此外，集成加热器技术的引入也为谐振器模式的长时间稳定操作提供了支持，解决了温度漂移带来的影响。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.525689
