美國國家標準與技術研究院開發出一種新型光子晶元，測量精度提高多個數量級，有望為下一代緊湊量子感測器提供基礎

近日，來自美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究小組開發了一種新型光子晶元，有望為下一代緊湊量子感測器提供基礎。研究人員表示，在該晶元上，近紅外激光與微小的原子云能發生相互作用，這是量子精準測量的基礎。

圖為新型光子晶元示意圖

缺陷克服

研究團隊還表示，目前設計中的缺陷可以通過一些小的調整來克服，基於該方法的微型精密光譜儀可以使用現有的半導體晶圓製造技術進行大規模生產。

參考基準

研究人員表示，NIST開發的晶元產生的780 nm光具有足夠的精度（10-11的不穩定度），可作為通過與銣原子相互作用校準其他儀器的長度參考。

該設備充分利用光子集成和精密光譜技術的優勢，為基於原子蒸氣的下一代量子感測器和器件鋪平道路。

精度限制

儘管當前器件的穩定性受到晶元波導中由背向反射產生的標準具的熱漂移的限制，但這可以通過使用更大的探測光束或更窄的光學轉換來克服。

研究小組表示：「因此，我們預計未來的光子晶元設計將減少由波導中的背向反射產生的標準具，這將直接導致頻率穩定性的提高。微加工蒸氣室和光子晶元的晶片級大規模製造可能導致基於溫蒸氣的精確光譜學的器件成本降低。」

降低尺寸

雖然基於原子蒸氣的量子感測器通常都是冰箱大小尺寸的設備，但英國最近的發展表明，有可能將該體積縮小一個數量級，適合整合在立方體衛星中。

NIST設計的晶元目前還有更多的工作要做，將原子云和結構封裝到小於一平方厘米的區域，與傳統的宏觀尺寸感測器相比，該感測器提供的測量精度要高4個數量級。

據報道，晶元長14毫米，寬9毫米，其氮化硅波導能夠處理各種光頻。

研究人員Hummon補充說：「與其他使用晶元引導光波探測原子的器件相比，我們的晶元將測量精度提高了一百倍。我們的晶元目前依賴於一個小型外部激光器和光學平台，但在未來的設計中，我們希望將所有部件都封裝在晶元上。」

走出實驗室

研究人員旨在將新的計量技術從實驗室轉移到商業部門，並且能夠進行大規模的商業製造。

研究人員表示：「為此，我們正在開發一套本質上準確的、基於量子的測量技術，旨在幾乎隨時隨地進行部署，不需要NIST的傳統測量服務就可以不間斷地進行測試。他們將使用戶能夠在工廠車間、醫院診斷中心、商用和軍用飛機、研究實驗室甚至在家庭、汽車和個人電子設備中進行參考國際單位制（SI）的精確測量。」

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