バックグラウンドフリーイメージングを備えた統合原子アレイナノフォトニックチッププラットフォーム

光学ピンセットに閉じ込められた中性原子の配列は、スケーラビリティ、再構成可能な接続、および高忠実度操作により、量子情報処理と量子シミュレーションの主要なプラットフォームとして浮上しています。個々の原子は、内部原子状態に絡み合った区別不可能な光子を放出する能力により、量子ネットワーキングの有望な候補です。原子アレイをフォトニックインターフェイスと統合すると、多くの処理キッツをホストするノードがリモートエンタングルメントの分布を介して効率的にリンクできる分散アーキテクチャが可能になります。ただし、多くの原子アレイ技術は、フォトニック界面に近接して動作しなくなり、標準的な蛍光イメージングを介した原子検出は、近くのフォトニックデバイスからの散乱により大きな課題を提示します。ここでは、100以上のナノフォトニックキャビティをホストする最大64の光ピンセットと、最大64の光ピンセットとミリメートルスケールのフォトニックチップを組み合わせたアーキテクチャを示します。多色の励起と検出スキームを使用して、ナノファブリケーションキャビティに近接した、高忠実度（〜99.2％）、背景のないイメージングを達成します。原子は、誘電表面の数百ナノメートルに閉じ込められている間に画像化できます。これを、修正されたトラッピング電位のスタークシフト測定を使用して検証します。最後に、原子を欠陥のないアレイに再配置し、同じデバイスまたは複数のデバイスに同時にロードします。

Arrays of neutral atoms trapped in optical tweezers have emerged as a leading platform for quantum information processing and quantum simulation due to their scalability, reconfigurable connectivity, and high-fidelity operations. Individual atoms are promising candidates for quantum networking due to their capability to emit indistinguishable photons that are entangled with their internal atomic states. Integrating atom arrays with photonic interfaces would enable distributed architectures in which nodes hosting many processing qubits could be efficiently linked together via the distribution of remote entanglement. However, many atom array techniques cease to work in close proximity to photonic interfaces, with atom detection via standard fluorescence imaging presenting a major challenge due to scattering from nearby photonic devices. Here, we demonstrate an architecture that combines atom arrays with up to 64 optical tweezers and a millimeter-scale photonic chip hosting more than 100 nanophotonic cavities. We achieve high-fidelity ( ~ 99.2%), background-free imaging in close proximity to nanofabricated cavities using a multichromatic excitation and detection scheme. The atoms can be imaged while trapped a few hundred nanometers above the dielectric surface, which we verify using Stark shift measurements of the modified trapping potential. Finally, we rearrange atoms into defect-free arrays and load them simultaneously onto the same or multiple devices.