Brillouin-Laser mit Spulenmaßstab auf Chip stabilisiert und betreibt bei Raumtemperatur ein gefangenes Ionen-Qubit

Scharferes Licht für winzige Quantenmaschinen

Quantencomputer und ultrapr2zise Uhren versprechen Navigationssysteme, Sensoren und Zeitmessger2te weit jenseits der heutigen Technik. Doch die Laser, die die entscheidenden Quantenbits (Qubits) antreiben, sind 2blicherweise sperrig, empfindlich und an Labortische gebunden. Diese Arbeit zeigt, dass ein Lasersystem, das klein genug ist, um auf Chips zu passen, dennoch das ultrareine Licht liefern kann, das erforderlich ist, um ein einzelnes gefangenes Ion bei Raumtemperatur zu kontrollieren 2in wichtiger Schritt in Richtung tragbarer Quantenger2te.

Von raumgro2en Lasern zu Chips

Gefangene Ionen sind einer der f5chrenden Ans2tze zum Bau von Quantencomputern und optischen Uhren. Ein einzelnes Ion, das 5ber einem mikrostrukturierten Elektrodenchip gehalten wird, kann sowohl als Qubit als auch als Zeitreferenz dienen. Heute verlassen sich die Systeme jedoch auf gro2e externe Hohlraumlaser und meterlange Glaskavitäten, um die Laserfrequenz stabil zu halten. Diese Aufbauten f5llen optische Tische, erfordern sorgf5chgste Isolierung gegen Vibrationen und Temperatur2nderungen und lassen sich schwer au2erhalb des Labors bewegen. Die Autoren wollen diese Infrastruktur schrumpfen, indem sie zentrale Laser- und Optikfunktionen auf integrierte photonische Chips aus Siliziumnitrid verlagern — einem Material, das mit standardisierter Halbleiterfertigung kompatibel ist.

Ein gewundener Pfad zu ultrastabilem Licht

Der Kern des neuen Systems ist eine spezielle Laserart, der Brillouin-Laser, der direkt auf einem Siliziumnitrid-Chip aufgebaut ist und bei einer sichtbaren Rotwellenl2nge von 674 Nanometern arbeitet — genau die Farbe, die ben4tigt wird, um eine entscheidende Transition in einem Strontium-Ion anzusprechen. Licht aus einem konventionellen Diodenlaser pumpt einen winzigen Ring auf dem Chip, wo Wechselwirkungen zwischen Licht- und Schallwellen ein extrem schmales und ruhiges Brillouin-Signal erzeugen. Dieses Licht wird dann an einen zweiten Chip gekoppelt: einen drei Meter langen optischen Pfad, der zu einem kompakten Spiralresonator aufgewickelt ist. Der lange Pfad mittelt Temperaturschwankungen und andere St4rungen aus und reduziert dadurch das Rauschen in der Laserfrequenz drastisch. Das resultierende chipgro2e System erreicht eine fundamentale Linienbreite von etwa 14 Hertz und eine breiter wirkende effektive Linienbreite von nur einigen Hundert Hertz, womit es mit deutlich gr4szeren Laborsystemen konkurriert.

Das Ion den Laser abstimmen lassen

Um die Stabilit2t noch weiter zu steigern, l2sst das Team das gefangene Ion selbst als letzte Instanz f5r die Frequenz fungieren. Der Brillouin-Laser, bereits durch den aufgewickelten Resonator beruhigt, wird wiederholt so abgestimmt, dass er entgegengesetzte Seiten einer au2erordentlich scharfen Transition in einem einzelnen Strontium-88-Ion sondiert, dessen nat5rliche Breite nur 0,4 Hertz betr2gt. Indem sie vergleichen, wie wahrscheinlich das Ion auf jeder Seite angeregt wird, und alle 20 Millisekunden winzige Korrekturen zur5ckspeisen, „z2hmen“ die Forschenden den Laser, sodass er der eigenen Referenzfrequenz des Ions folgt. Zwei solcher Regelkreise in verschachtelter Abfolge erlauben Vergleiche zwischen den Schleifen und zeigen, dass in der lokalen Bezugsebene des Ions die Laserfrequenz nur um etwa 180 Hertz 2ber 100 Sekunden schwankt — entsprechend einer fraktionellen Stabilit2t besser als ein Teil in 10¹².

Quanten-Zust2nde vorbereiten und auslesen

Mit diesem stabilisierten chipgro2en Laser f5hrt das Team die komplette Grundausstattung an Qubit-Operationen an einem bei Raumtemperatur gefangenen Ion durch. Sie verwenden zeitlich genau abgestimmte Laserpulse, um das Ion in einen gew2nschten Ausgangszustand zu pumpen, es zwischen zwei Energieniveaus zu treiben, die ein Qubit bilden, und dann eines dieser Niveaus in einen langlebigen Zustand abzulegen, um es durch Fluoreszenz zu messen. Das niedrige Rauschen des Brillouin-Lasers erlaubt klare Spektroskopie der inneren Struktur des Ions, schmale Spektrallinien bis hinunter zu 1,5 Kilohertz und saubere Oszillationen des Qubit-Zustands in der Zeit. Insgesamt erreichen sie eine Genauigkeit bei Zustandspraparation und -messung von 99,6 %, mit effizienterer Bedienung — weniger Pulse und l2ngere koh2rente Wechselwirkungen — als bei Verwendung eines Standarddiodenlasers, der nur an die Spule stabilisiert ist.

Auf dem Weg zur taschengro2en Quantentechnologie

Die Studie demonstriert, dass photonische Komponenten im Chipmaßstab eine Laserleistung liefern k4nnen, die ausreicht, anspruchsvolle ionenbasierte Quantensysteme ohne sperrige Referenzkavitäten oder komplexe Frequenzkonversion zu betreiben. Da die Siliziumnitrid-Plattform mit den Elektrodenchips kompatibel ist, die die Ionen halten, k4nnten zuk5nftige Ger2te Laser, Resonatoren und Ionentr2pfe auf einem einzelnen Substrat integrieren. Eine solche Integration w5rde Phasenrauschen durch optische Pfade verringern, Gr4e und Energiebedarf senken und den Weg 4ffnen zu tragbaren Quantencomputern, feldtauglichen optischen Uhren und kompakten Quantensensoren f5r Navigation und Wissenschaft.

Zitation: Chauhan, N., Caron, C., Isichenko, A. et al. Chip scale coil stabilized Brillouin laser driving a room temperature trapped ion qubit. Nat Commun 17, 3982 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69948-2

Schlüsselwörter: gefangene Ionen-Qubits, integrierte Photonik, Brillouin-Laser, optische Atomuhren, Quantencomputer-Hardware