美国国家标准与技术研究所(NIST)正在创建基于冷原子传感器的项目，该项目代表了一种新的计量学方法，旨在建立一系列芯片尺度的工具来实现将囚禁冷原子作为传感器应用在真实世界当中。 对于包括惯性力之类的重要物理现象，如加速和旋转、重力、磁场、真空和时间来说，冷原子可能是一个非常有利的传感器。然而，这些方面的应用仍然受限于实验室场景。事实证明，构建由冷原子制成的坚固、可在现场部署的量子传感器非常困难。这主要是因为创建和控制这些特殊气体所需的设备非常复杂。这些装置通常需要多台激光器，数百个光学器件以及对外部磁场和电场的精确控制。 这个冷芯技术(CCT)项目旨在通过将最新的光子元器件与冷原子集成在一起来应对这一挑战。通过显著减少输入激光束的数量或块状光学器件的数量，光子学具有极大地简化冷原子所需的光学设施的能力。纳米光子元件具有独特的功能，例如强大的原子-光子耦合，可用于制造用于计量学和量子科学的新的原子器件。这个项目也旨在使用新的软件工具和最新的制造技术来系统工程化冷原子和光子元器件的集成，以实现下一代基于冷原子的计量。 集成设备通常使用原子物理学中的标准主力元素铷以外的其他原子。因为不同元素可能对于不同测量有着不同的优势。虽然铷元素可用于许多测量领域，但锂元素则可能更适合测量真空。锶对于原子钟是更好的，并且对于惯性感测可能是有利的。分子则可能对于测量温度更有用。要了解如何使用这些不同的元素来构建设备，就需要重新了解它们的复杂结构是如何影响小型化激光冷却设备的性能的。 该平台第一个旗舰设备是冷原子真空标准（CAVS）。在专门设计的阱中，背景分子与囚禁Li原子之间的碰撞将导致Li原子以一定的概率从阱中被撞出，如图所示。CAVS通过测量冷原子在阱中的寿命来对真空中的背景分子进行计数，进而可以利用它来制造一个绝对数密度传感器。CAVS是实验室规模的标准，但该项目力求通过利用光子元器件将其缩小为可封装的设备，使其成为电离规的替代品。CAVS的便携式版本p-CAVS目前正在开发当中。它的核心是一个光子光栅芯片，该芯片接收单个输入光束，并产生囚禁原子所需光束。另外，芯片有一个原子孔，可以在其后放置专门设计的碱元素原子源。孔径允许输入光束通过并与源中的原子相互作用更长时间，用于预减速原子。这项创新使人们能够捕获理想的用于真空传感器的Li原子。 下一代基于冷原子的传感器有望带来计量学的革命，从而影响加速度、旋转、磁场、电场、黑体辐射、温度、真空甚至时间的测量。CCT平台项目重点是将这些技术带入现实世界，在未来用冷原子建立新的测量体系。 查看详细>>

我们的研究重点是利用捕获离子进行精确测量。特别是，我们对光学频率计量学感兴趣，它为从光学时钟到基础物理和相对论大地测量的各种应用提供了基础。下面是我们几个实验的描述。 Al+光学钟 这个项目使用量子信息科学的技术来实现精确计量。我们使用单离化铝中偶极禁止的1S0-3P0跃迁作为稳定的参考频率（自然线宽~8 mhz），其中我们用量子逻辑光谱法检测，并将第二个离子保持在同一陷阱中。目前的工作主要集中在减少系统效应，如时间膨胀引起的相对论性漂移，以及利用量子纠缠和经典关联提高时钟稳定性。这些时钟已经演示了全球光学时钟的记录精度，当前一代的分数不确定度低于1x10-18。 Hg+光时钟 在低温环境下工作的汞离子光学钟是第一个证明其性能超过微波钟标准的光学钟，并且是最具特色的光学钟之一。特别有趣的是，它的频率对精细结构常数有很强的依赖性，可以用来测试基本“常数”的漂移。 分子光谱学 与原子相比，分子表现出更为复杂的内部结构，这既给实验带来了挑战，也为探索新物理提供了巨大的机遇。本项目将量子信息处理工具应用于单分子离子的精密测量与量子控制。 光学频率稳定 作为许多高分辨率光谱实验的关键使能技术，我们正在开发最先进的线宽为mHz的频率稳定激光器。目前正在进行的一个项目是利用光谱烧孔技术来研究激光稳定。另一个项目是利用低温冷却光学腔实现激光稳定。 查看详细>>

美国国家标准与技术研究所(NIST)建立了用于实现集成分子实验的平台(PRIME)，旨在实现主要基于量子的温度范围为200 K–600 K的辐射功率和开尔文温度测量。黑体是非相干电磁辐射源，在辐射计量和温度计量中无处不在。通过使用敏感的相同的量子系统（例如极性分子），该平台将直接测量黑体电场用以表征这些广泛使用的计量设备。 黑体通过普朗克定律使辐射功率和温度之间建立了清晰的联系。虽然黑体是可靠的温度和功率校准设备，但是其也有一系列的系统困扰。例如，不理想的发射率、传播损耗、温度梯度、几何效应等。同时由于其依赖和校准的传感器从根本上说仍然是经典的，因此有着很长的追溯链。而分子是个理想的量子体系。分子与电磁辐射之间的相互作用已经被非常精确地表征，且在很多情况下，是可以进行从头算的。黑体辐射诱导分子内态之间的跃迁。先通过激光冷却分子再施加激光和微波场之后，分子被限制在其两个最低的振动态，然后被周围黑体辐射场快速热化。人们可以通过探测每个振动态的布居数来实现开尔文温度的量子测量。 PRIME是建立在NIST热力学计量组发展的单激光束原子囚禁技术和分子激光冷却研究之上。该平台利用一种光栅芯片磁光阱(MOT)，通过用单个激光束减慢和囚禁分子，从而大大降低了实验的复杂性。分子激光冷却技术能够使囚禁分子温度降低到10 mK以下。一旦分子被冷却和囚禁，一束推力激光就会像喷泉一样将超冷分子上抛至位于阱上方的黑体腔。离开黑体腔之后，被黑体腔热化的分子振动态布居数被依次确定。通过调节喷泉特性，例如高度、角度和初始位置，可以改变分子运动轨迹进而识别黑体腔的热梯度。这些信息对于验证黑体模型，改善未来的辐射计量标准至关重要。虽然是标准的冷原子技术，却是激光冷却的喷泉技术首次应用到具有广泛影响的分子体系。 查看详细>>

2020年11月6日，创新英国(Innovate UK)发布新闻称，英国和加拿大启动了世界上第一个量子技术计划。 八个项目将促进英国和加拿大的学术界，行业和政府合作伙伴之间的量子研究合作。英加量子技术竞赛当天宣布了由英国研究与创新（UKRI）和加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）联合举办的竞赛的优胜者。在双边倡议下，这八个获奖项目将分享UKRI的200万英镑赠款和加拿大的440万加元总投资。 竞争将导致任何两个国家之间建立行业领先的合作伙伴关系，以开发量子技术，这些技术将利用我们对原子级光和物质的理解。两国之间在2017年签署了一项协议，以通过学术和商业合作共享量子专业知识。新一代量子技术有望对经济和社会带来变革。预计它们将对许多领域产生重大影响，包括医疗保健、安全通信、防御、计算和金融服务。 全球领导者 英国和加拿大在将量子技术商业化为新产品，工艺和服务的竞赛中处于全球领先地位。紧密合作的协议使他们能够利用互补优势互惠互利。科学大臣阿曼达•索洛韦（Amanda Solloway）说：“我们才刚刚开始开发量子技术，但是很显然，它们为我们在整个领域（如医疗保健，通信和金融服务）提供了无限的机会。 英国和加拿大在科学和技术方面有着牢固的合作关系。通过我们的企业和学者的共同努力，这些令人难以置信的新项目将帮助我们加速量子技术的开发，规模化和商业化，确保英国在该领域保持世界领先地位。” 突破性的合作 加拿大政府创新、科学和工业部长Navdeep Bains说：“量子技术具有改变加拿大、英国和世界各地的产业和社会的潜力。加拿大研究人员与英国企业之间的开创性合作将有助于我们进一步了解这些变革性技术。我们的政府仍然致力于对科学和研究的投资，包括对量子技术的投资，加拿大是公认的早期领导人。” 获奖项目包括 用于量子感测和量子计算的高级制造工具包 英国业务负责人：牛津仪器纳米技术工具有限公司 加拿大学术负责人：谢布鲁克大学 来自加拿大和英国的学术和工业合作伙伴正在联合创建用于量子感测和量子计算的先进制造工具包。它将满足生产坚固、可靠和可扩展的微电子电路的需求，这些电路是量子技术的核心，用于其商业开发和大规模部署。该项目开发的系统将包括原子精确的超导薄膜和金刚石缺陷。 查看详细>>