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原子芯片的研究前景十分誘人，相關應用技術成果即將突破，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，科技日報記者參觀了以色列本古里安大學納米尺度系統實驗室，采訪了該實驗室原子芯片組負責人羅恩·福爾曼教授。

新一代實驗室：建在量子理論基礎之上

以色列本古里安大學納米尺度系統實驗室從2003年開始建設，投資2000多萬美元，目前除了進行基礎研究外，還是世界上為數不多的加工出口原子芯片的實驗室。

按照實驗室的創建人福爾曼教授的說法，該實驗室完全不同于任何一家以半導體物理理論為基礎的芯片實驗室，而是建立在量子理論基礎上的新一代原子芯片實驗室，是材料工程與量子光學結合的產物。實驗室擁有最先進的超真空閥、激光冷卻儀、原子注入設備、探測儀和全套軟件分析控制系統。

該實驗室可以方便地實現超冷原子的制備、探測和操縱，研究玻色—愛因斯坦凝聚態下原子的特性，為人類設計精確度更高的原子鐘、制造更精確的重力測試儀，甚至實現量子信息儲存、光的儲存及開發量子計算機等打開大門。

福爾曼認為，微型化領域已發生了兩次革命，第一次是電子設備微型化革命，第二次是光子設備微型化革命，現在要迎接第三次革命，即原子和量子粒子設備微型化革命。他認為，與納米技術緊密相連的量子技術革命，將材料科學的進步和量子世界連接起來，給原子設備微型化革命帶來了希望。

技術實際應用：精密測量成果初見端倪

原子芯片目前有兩個重要的研究方向，一是量子精密測量，包括芯片原子鐘、原子干涉儀、磁強計等；二是量子系統基本性質的研究以及在量子信息方面的應用，例如原子壓縮態、量子邏輯門等。這兩方面的研究緊密相連，后者的應用相對遙遠，而前者的應用成果已經初現端倪。

原子干涉儀，又叫物質波干涉儀，是原子芯片的一個重要研究方向。福爾曼教授在理論上提出了多模波導型物質波干涉儀和利用時間反演對稱性構造非相干物質波源的波導型陀螺儀。目前他和他的小組在實驗室的兩個BEC平臺上都進行著原子干涉儀的實驗，已實現了原子芯片上利用斯特恩—格拉克效應進行相干分束的物質波干涉，為如何實現大動量差的原子相干分束提供了一種方案；該實驗室還驗證了在距離芯片表面僅5到6微米處物質波的空間相干性能得到長時間的保持，這為將來實現量子電路提供了參考。

原子芯片還可實現原子鐘的微型化；利用原子量子粒子對加速敏感的特點，開發深空探測導航設備；利用量子粒子對磁場特別敏感的特性，開發出靈敏度最高的磁場探測儀；還可以開發用于銀行間通訊的絕對安全的量子通訊系統等。

原子芯片上不僅可以集成導線，也可以集成更多的元件，例如納米管、永磁體、超導體、金剛石等。本古里安大學納米尺度系統實驗室不僅為自己加工原子芯片，也承攬對外加工業務。到目前為止，已為美國和歐洲的多所大學和公司加工了各種原子芯片和離子芯片。

技術領域競爭：獨特研究引起多方關注

本古里安大學納米尺度系統實驗室的獨特研究引起了以色列軍方和英特爾公司的關注。據福爾曼教授介紹，以色列著名軍工企業以色列飛機工業公司和他建立了合作關系，主要開發磁強計。英特爾公司正在和他一起研究，設計建設新一代芯片實驗室。

超冷原子芯片的重要意義在于使玻色—愛因斯坦凝聚實驗設備小型化。如果這些原子芯片制備簡便并穩定可靠，將會激發新的重大應用，帶動納米、刻痕極微小的超級集成電路、精密測量等技術的快速發展，產生不可估量的影響。全球一批頂尖實驗室正在該領域展開激烈競爭。

中國科學家在2002年首次實現了銣原子的玻色—愛因斯坦凝聚，2008年開發出了實現玻色—愛因斯坦凝聚的原子芯片。但相比以色列，無論在理論、工藝、穩定性方面都有很大差距，尤其在應用開發方面，還相對滯后。隨著英特爾和以色列飛機工業公司的加入，以色列在該領域的應用技術研究將快速發展。在這一領域，中國應不為人后，努力加強對原子芯片的研究，緊跟國際先進水平。