単一原子のメタサーフェイス光トラップアレイ

サブ波長シリコンナノピラーで作られたメタサーフェスは、光を操作する比類のない能力を提供し、統合されたフォトニックデバイスを開発するための主要なプラットフォームの1つとして登場しました。この研究では、平面的なメタトラップオプティクスに基づいたコンパクトでパッシブアプローチについて報告して、大きな光トラップアレイを生成します。一意の構成は、メタホログラムで達成され、単一の入射レーザービームを個々のビームの配列に変換し、メタンをフォローアップして、単一のルビジウム原子トラッピング用の複数のレーザー病巣を形成します。830 nmの波長で5×5および25×25の2次元アレイを実験的に示し、メタサーフェース設計の機能とスケーラビリティを検証します。ビームウエスト〜1.5 µm、間隔（約15 µm）、および原子アレイの量子制御との関連性の低いトラップ深度の変動（8％）は、堅牢で効率的な方法で達成されます。提示された研究は、Rydberg状態を媒介した量子ゲート操作に適したコンパクトで安定した、スケーラブルなトラップアレイプラットフォームを強調しており、これにより、中性原子量子コンピューティングの進歩をさらに促進します。

Metasurfaces made of subwavelength silicon nanopillars provide unparalleled capacity to manipulate light, and have emerged as one of the leading platforms for developing integrated photonic devices. In this study, we report on a compact, passive approach based on planar metasurface optics to generate large optical trap arrays. The unique configuration is achieved with a meta-hologram to convert a single incident laser beam into an array of individual beams, followed up with a metalens to form multiple laser foci for single rubidium atom trapping. We experimentally demonstrate two-dimensional arrays of 5 × 5 and 25 × 25 at the wavelength of 830 nm, validating the capability and scalability of our metasurface design. Beam waists ∼1.5 µm, spacings (about 15 µm), and low trap depth variations (8%) of relevance to quantum control for an atomic array are achieved in a robust and efficient fashion. The presented work highlights a compact, stable, and scalable trap array platform well-suitable for Rydberg-state mediated quantum gate operations, which will further facilitate advances in neutral atom quantum computing.