量子技術的革命：手掌大小的激光器打破了實驗室界限

加州大學圣塔芭芭拉分校的研究人員開發(fā)出一種結構緊湊、成本低廉的激光器，其性能可與實驗室規(guī)模的系統媲美。 它利用銣原子和先進的芯片集成技術，實現了諸如量子計算、計時和環(huán)境傳感（包括基于衛(wèi)星的重力測繪）等應用。

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Andrei Isichenko 手持超高質量的環(huán)形諧振器（左），它可以幫助將商用法布里-珀羅激光二極管（右）發(fā)出的"粗"光轉變?yōu)榈途�寬激光器。

對于需要超精密原子測量和控制的實驗，例如雙光子原子鐘、冷原子干涉儀傳感器和量子門，激光器是不可或缺的。 激光器之所以有效，關鍵在于其光譜純度，即只發(fā)射一種顏色或頻率的光。 如今，要實現這些應用所需的超低噪聲、穩(wěn)定的光，必須依賴于笨重而昂貴的臺式激光系統，該系統旨在產生和管理窄光譜范圍內的光子。

但是，如果這些原子應用能夠擺脫實驗室和臺式機的束縛呢？ 這是推動加州大學圣巴巴拉分校工程學教授Daniel Blumenthal實驗室研究的愿景，他的團隊正在努力將這些高精度激光器的性能復制到輕便的手持設備中。

布盧門撒爾實驗室的研究生研究員Andrei Isichenko說："這些小型激光器將為實際量子系統以及便攜式、現場部署和天基量子傳感器的激光器提供可擴展的激光解決方案。這將對技術領域產生影響，例如使用中性原子和被困離子的量子計算，以及冷原子量子傳感器，例如原子鐘和重力儀。"

在Scientific Reports雜志上發(fā)表的一篇論文中，Blumenthal、Isichenko和他們的團隊介紹了芯片級超低線寬自注入鎖定780納米激光器在這一方向上的發(fā)展。 研究人員表示，這種大約火柴盒大小的設備可以比目前的窄線寬 780 nm 激光器發(fā)揮更好的性能，而制造成本和容納空間卻只有它們的一小部分。

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混合集成芯片級 780 nm 自注射鎖定激光器

之所以選擇銣原子作為激光器的開發(fā)對象，是因為銣原子具有眾所周知的特性，是各種高精度應用的理想選擇。 其 D2 光學轉變的穩(wěn)定性使其非常適合原子鐘；原子的靈敏度也使其成為傳感器和冷原子物理的熱門選擇。 將激光穿過作為原子基準的銣原子蒸汽，近紅外激光就能呈現出穩(wěn)定原子轉變的特性。

論文的資深作者Blumenthal指出："利用原子轉變線來套住激光。換句話說，通過將激光鎖定在原子轉變線上，激光在穩(wěn)定性方面或多或少會具有該原子轉變的特性。"

但是，花哨的紅光并不能制造出精密的激光。 要獲得理想質量的激光，必須去除"噪音"。 Blumenthal 將其描述為音叉與吉他弦的對比。他解釋說："如果你用音叉敲出一個 C 音，這可能是一個非常完美的 C 音。"但如果你在吉他上彈出一個 C 音，你就能在其中聽到其他音調。 同樣，激光也可能包含不同的頻率（顏色），從而產生額外的"音調"。 為了產生所需的單一頻率（在本例中為純深紅色光），該系統采用了額外的組件來進一步平緩激光。 研究人員面臨的挑戰(zhàn)是將所有這些功能和性能集成到一個芯片上。"

研究小組結合使用了市場上銷售的法布里-珀羅激光二極管、世界上損耗最低的波導（由布盧門塔爾實驗室制造）以及最高質量的因子諧振器，所有這些都是在氮化硅平臺上制造的。 通過這樣做，他們能夠復制笨重的臺式系統的性能--根據他們的測試，他們的設備在頻率噪聲和線寬等關鍵指標上比某些臺式激光器以及之前報道的集成激光器高出四個數量級。

Isichenko 解釋說："低線寬值的意義在于，我們可以在不犧牲激光器性能的情況下實現緊湊型激光器。在某些方面，由于實現了全芯片級集成，與傳統激光器相比，性能得到了提高。 這些線寬有助于我們更好地與原子系統互動，消除激光噪聲的貢獻，從而完全解析原子信號，以響應它們所感知的環(huán)境等。"

低線寬就本項目而言，是創(chuàng)紀錄低的亞赫茲基本線寬和亞千赫積分線寬，這表明了激光技術的穩(wěn)定性和克服來自外部和內部噪音的能力。

這項技術的其他優(yōu)勢還包括成本--它使用的是 50 美元的二極管，并采用了一種具有成本效益且可擴展的制造工藝，這種工藝是利用與 CMOS 兼容的晶圓級工藝制造的，它借鑒了電子芯片制造領域的經驗。這項技術的成功意味著可以在實驗室內外的各種場合部署這些高性能、高精度、低成本的光子集成激光器，包括量子實驗、原子計時和感應最微弱的信號，如地球周圍重力加速度的變化。

Blumenthal說：“可以把這些儀器放在衛(wèi)星上，以一定的精度繪制地球和地球周圍的重力地圖。通過感應地球周圍的引力場來測量海平面的上升、海冰的變化和地震。 ”他補充說，“這種技術結構緊湊、功耗低、重量輕，'非常適合'在太空中部署�！�

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