原子芯片的研究將獲突破 微型化領(lǐng)域正迎來(lái)第三次革命
原子芯片的研究前景十分誘人，相關(guān)應(yīng)用技術(shù)成果即將突破，而以色列在原子芯片研究方面取得的成果令人印象深刻。近日，科技日?qǐng)?bào)記者參觀了以色列本古里安大學(xué)納米尺度系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，采訪了該實(shí)驗(yàn)室原子芯片組負(fù)責(zé)人羅恩·福爾曼教授。
新一代實(shí)驗(yàn)室：建在量子理論基礎(chǔ)之上
以色列本古里安大學(xué)納米尺度系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室從2003年開始建設(shè)，投資2000多萬(wàn)美元，目前除了進(jìn)行基礎(chǔ)研究外，還是世界上為數(shù)不多的加工出口原子芯片的實(shí)驗(yàn)室。
按照實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建人福爾曼教授的說(shuō)法，該實(shí)驗(yàn)室完全不同于任何一家以半導(dǎo)體物理理論為基礎(chǔ)的芯片實(shí)驗(yàn)室，而是建立在量子理論基礎(chǔ)上的新一代原子芯片實(shí)驗(yàn)室，是材料工程與量子光學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)室擁有最先進(jìn)的超真空閥、激光冷卻儀、原子注入設(shè)備、探測(cè)儀和全套軟件分析控制系統(tǒng)。
該實(shí)驗(yàn)室可以方便地實(shí)現(xiàn)超冷原子的制備、探測(cè)和操縱，研究玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)下原子的特性，為人類設(shè)計(jì)精確度更高的原子鐘、制造更精確的重力測(cè)試儀，甚至實(shí)現(xiàn)量子信息儲(chǔ)存、光的儲(chǔ)存及開發(fā)量子計(jì)算機(jī)等打開大門。
福爾曼認(rèn)為，微型化領(lǐng)域已發(fā)生了兩次革命，第一次是電子設(shè)備微型化革命，第二次是光子設(shè)備微型化革命，現(xiàn)在要迎接第三次革命，即原子和量子粒子設(shè)備微型化革命。他認(rèn)為，與納米技術(shù)緊密相連的量子技術(shù)革命，將材料科學(xué)的進(jìn)步和量子世界連接起來(lái)，給原子設(shè)備微型化革命帶來(lái)了希望。
技術(shù)實(shí)際應(yīng)用：精密測(cè)量成果初見端倪
原子芯片目前有兩個(gè)重要的研究方向，一是量子精密測(cè)量，包括芯片原子鐘、原子干涉儀、磁強(qiáng)計(jì)等；二是量子系統(tǒng)基本性質(zhì)的研究以及在量子信息方面的應(yīng)用，例如原子壓縮態(tài)、量子邏輯門等。這兩方面的研究緊密相連，后者的應(yīng)用相對(duì)遙遠(yuǎn)，而前者的應(yīng)用成果已經(jīng)初現(xiàn)端倪。
原子干涉儀，又叫物質(zhì)波干涉儀，是原子芯片的一個(gè)重要研究方向。福爾曼教授在理論上提出了多模波導(dǎo)型物質(zhì)波干涉儀和利用時(shí)間反演對(duì)稱性構(gòu)造非相干物質(zhì)波源的波導(dǎo)型陀螺儀。目前他和他的小組在實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)BEC平臺(tái)上都進(jìn)行著原子干涉儀的實(shí)驗(yàn)，已實(shí)現(xiàn)了原子芯片上利用斯特恩—格拉克效應(yīng)進(jìn)行相干分束的物質(zhì)波干涉，為如何實(shí)現(xiàn)大動(dòng)量差的原子相干分束提供了一種方案；該實(shí)驗(yàn)室還驗(yàn)證了在距離芯片表面僅5到6微米處物質(zhì)波的空間相干性能得到長(zhǎng)時(shí)間的保持，這為將來(lái)實(shí)現(xiàn)量子電路提供了參考。
原子芯片還可實(shí)現(xiàn)原子鐘的微型化；利用原子量子粒子對(duì)加速敏感的特點(diǎn)，開發(fā)深空探測(cè)導(dǎo)航設(shè)備；利用量子粒子對(duì)磁場(chǎng)特別敏感的特性，開發(fā)出靈敏度最高的磁場(chǎng)探測(cè)儀；還可以開發(fā)用于銀行間通訊的絕對(duì)安全的量子通訊系統(tǒng)等。
原子芯片上不僅可以集成導(dǎo)線，也可以集成更多的元件，例如納米管、永磁體、超導(dǎo)體、金剛石等。本古里安大學(xué)納米尺度系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不僅為自己加工原子芯片，也承攬對(duì)外加工業(yè)務(wù)。到目前為止，已為美國(guó)和歐洲的多所大學(xué)和公司加工了各種原子芯片和離子芯片。
技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)：獨(dú)特研究引起多方關(guān)注
本古里安大學(xué)納米尺度系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)特研究引起了以色列軍方和英特爾公司的關(guān)注。據(jù)福爾曼教授介紹，以色列著名軍工企業(yè)以色列飛機(jī)工業(yè)公司和他建立了合作關(guān)系，主要開發(fā)磁強(qiáng)計(jì)。英特爾公司正在和他一起研究，設(shè)計(jì)建設(shè)新一代芯片實(shí)驗(yàn)室。
超冷原子芯片的重要意義在于使玻色—愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)設(shè)備小型化。如果這些原子芯片制備簡(jiǎn)便并穩(wěn)定可靠，將會(huì)激發(fā)新的重大應(yīng)用，帶動(dòng)納米、刻痕極微小的超級(jí)集成電路、精密測(cè)量等技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生不可估量的影響。全球一批頂尖實(shí)驗(yàn)室正在該領(lǐng)域展開激烈競(jìng)爭(zhēng)。
中國(guó)科學(xué)家在2002年首次實(shí)現(xiàn)了銣原子的玻色—愛因斯坦凝聚，2008年開發(fā)出了實(shí)現(xiàn)玻色—愛因斯坦凝聚的原子芯片。但相比以色列，無(wú)論在理論、工藝、穩(wěn)定性方面都有很大差距，尤其在應(yīng)用開發(fā)方面，還相對(duì)滯后。隨著英特爾和以色列飛機(jī)工業(yè)公司的加入，以色列在該領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)研究將快速發(fā)展。在這一領(lǐng)域，中國(guó)應(yīng)不為人后，努力加強(qiáng)對(duì)原子芯片的研究，緊跟國(guó)際先進(jìn)水平。
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