Przeniesienie mocy precyzyjnych laserów stołowych do nauki kwantowej na skalę chipową

W przypadku eksperymentów wymagających ultraprecyzyjnych pomiarów i kontroli nad atomami – jak na przykład dwufotonowe zegary atomowe, czujniki interferometru zimnych atomów i bramki kwantowe – preferowaną technologią są lasery, tym bardziej czyste widmowo (emitujące jeden kolor/częstotliwość), lepsza. Konwencjonalna technologia laserowa do zastosowań laboratoryjnych umożliwia obecnie osiągnięcie tego wyjątkowo cichego, stabilnego światła za pomocą nieporęcznych, kosztownych systemów stołowych zaprojektowanych do generowania, wykorzystywania i emitowania fotonów w wąskim zakresie widmowym.

Ale co by było, gdyby można było przenieść te zastosowania atomowe z ich obecnych ograniczeń w laboratoriach i na stanowiskach laboratoryjnych? Ten postęp leży u podstaw wysiłków prowadzonych w laboratorium profesora inżynierii Uniwersytetu Kalifornijskiego, Daniela Blumenthala, gdzie jego zespół stara się odtworzyć działanie tych laserów na lekkich urządzeniach, które mieszczą się w dłoni.

„Te mniejsze lasery umożliwią opracowanie skalowalnych rozwiązań laserowych dla rzeczywistych systemów kwantowych, a także laserów dla przenośnych, rozmieszczanych w terenie i kosmicznych czujników kwantowych” – powiedział Andrei Isichenko, doktorant w laboratorium Blumenthala. „Będzie to miało wpływ na obszary technologii, takie jak obliczenia kwantowe z wykorzystaniem neutralnych atomów i uwięzionych jonów, a także czujniki kwantowe zimnych atomów, takie jak zegary atomowe i grawimetry”.

W artykule w czasopiśmie Raporty naukoweBlumenthal, Isichenko i zespół przedstawiają rozwój w tym kierunku za pomocą lasera 780 nm z blokadą samowtryskową o bardzo małej szerokości linii. Naukowcy twierdzą, że to urządzenie wielkości mniej więcej pudełka zapałek może działać lepiej niż obecne lasery o wąskiej linii 780 nm, za ułamek kosztów produkcji i przestrzeni do ich przechowywania.

Lassowanie lasera

Atomem motywującym do rozwoju lasera jest rubid, wybrany ze względu na dobrze znane właściwości, które czynią go idealnym do różnorodnych zastosowań wymagających dużej precyzji. Stabilność przejścia optycznego D2 dobrze nadaje atom zegarom atomowym; czułość atomu sprawia, że ​​jest on również popularnym wyborem w przypadku czujników i fizyki zimnych atomów. Przepuszczając laser przez parę atomów rubidu jako odniesienie atomowe, laser bliskiej podczerwieni może przyjąć charakterystykę stabilnego przejścia atomowego.

„Możesz wykorzystać linie przejścia atomów do lassa lasera” – zauważył Blumenthal, starszy autor artykułu. „Innymi słowy, blokując laser w linii przejścia atomowego, laser mniej więcej przejmuje cechy tego przejścia atomowego pod względem stabilności”.

Ale fantazyjne czerwone światło nie jest dziełem precyzyjnego lasera. Aby uzyskać światło o pożądanej jakości, należy usunąć „szum”. Blumenthal opisuje to jako kamerton kontra struny gitarowe.

„Jeśli masz kamerton i uderzysz w dźwięk C, prawdopodobnie będzie to całkiem idealne C” – wyjaśnił. „Ale jeśli uderzysz w C na gitarze, usłyszysz tam inne dźwięki”. Podobnie lasery mogą wykorzystywać różne częstotliwości (kolory), które generują dodatkowe „tony”.

Aby wytworzyć pożądaną pojedynczą częstotliwość – w tym przypadku czyste, głęboko czerwone światło – systemy stołowe zawierają dodatkowe komponenty, które jeszcze bardziej wyciszają światło lasera. Wyzwaniem dla badaczy było zintegrowanie całej tej funkcjonalności i wydajności w chipie.

Zespół wykorzystał kombinację dostępnej na rynku diody laserowej Fabry-Perota i falowodów o najniższych stratach na świecie (wyprodukowanych w laboratorium Blumenthala); jak również najwyższej jakości rezonatory współczynnikowe, wszystkie wykonane na platformie z azotku krzemu. W ten sposób udało im się odtworzyć wydajność nieporęcznych systemów stołowych, a ich urządzenie, zgodnie z ich testami, może przewyższać niektóre lasery stołowe, a także wcześniej zgłaszane lasery zintegrowane o cztery rzędy wielkości w kluczowych wskaźnikach, takich jak szum częstotliwości i szerokość linii.

„Znaczenie niskich wartości szerokości linii polega na tym, że możemy uzyskać kompaktowy laser bez poświęcania wydajności lasera” – wyjaśnił Isichenko.

„W pewnym sensie wydajność jest lepsza w porównaniu z konwencjonalnymi laserami ze względu na pełną integrację w skali chipa. Te szerokości linii pomagają nam lepiej współdziałać z układami atomowymi, eliminując wpływ szumu lasera, aby w pełni rozdzielić sygnał atomowy w odpowiedzi na przykład na środowisko, które wyczuwają.” Niskie szerokości linii — w tym projekcie rekordowo niska wartość podstawowa poniżej Hz i całka poniżej kHz — wskazują na stabilność technologii laserowej i jej zdolność do pokonywania szumów pochodzących zarówno ze źródeł zewnętrznych, jak i wewnętrznych.

Dalsze zalety tej technologii obejmują koszt — wykorzystuje ona diodę o wartości 50 dolarów oraz ekonomiczny i skalowalny proces produkcyjny, który jest tworzony przy użyciu procesu w skali płytek zgodnych z CMOS, czerpiącego ze świata produkcji chipów elektronicznych.

Sukces tej technologii oznacza, że ​​możliwe będzie zastosowanie tych wysokowydajnych, precyzyjnych i niedrogich zintegrowanych laserów fotonicznych w różnych sytuacjach w laboratorium i poza nim, w tym w eksperymentach kwantowych, atomowym pomiarze czasu i wykrywaniu najsłabszych obiektów. sygnałów, takich jak zmiany przyspieszenia grawitacyjnego wokół Ziemi.

„Można je umieścić na satelitach, aby stworzyć mapę grawitacyjną Ziemi i okolic Ziemi z pewną dokładnością” – powiedział Blumenthal. „Możesz mierzyć wzrost poziomu morza, zmiany w lodzie morskim i trzęsienia ziemi, wyczuwając pola grawitacyjne wokół Ziemi”. Kompaktowość, niskie zużycie energii i niewielka waga „idealnie pasują” – dodał, do zastosowań technologii w przestrzeni kosmicznej.