לייזר ברילואין מייצב בקנה מידה שבבי שמפעיל קיוביט מיונן בטמפרטורת החדר

אור חד יותר למכונות קוונטיות זעירות

מחשבים קוונטיים ושעונים על‑דיוק‑על מבטיחים מערכות ניווט, חיישנים ומכשירי מדידת זמן שמעבר לטכנולוגיה של היום. אבל הלייזרים שמפעילים את הסיביות הקוונטיות המרכזיות (קיוביטים) בדרך‑כלל נפחיים, שבירים ותלויים במתקני מעבדה. המאמר מראה שמערכת לייזר קטנה דיה שתוכלו להתקין על שבב עדיין יכולה לספק את האור הסופר‑נקי הנדרש כדי לשלוט ביון יחיד המיונן בטמפרטורת החדר — צעד חשוב לקראת מכשירים קוונטיים ניידים.

מבלי ליזר בגודל חדר — אל השבב

היונים המיוננים הם אחד הגישות המובילות לבניית מחשבים קוונטיים ולשעונים אופטיים. יון יחיד הנתלה מעל שבב אלקטרודה מיוצר יכול לשמש הן כקיוביט והן כשומר זמן. עם זאת, המערכות של היום מסתמכות על לייזרים חיצוניים גדולים ומצעדי זכוכית באורך מטר שנועדו לשמור על יציבות תדירות הלייזר. תצורות אלה תופסות שולחנות אופטיים, דורשות בידוד קפדני מפני רעידות ושינויים בטמפרטורה, וקשה להעבירן מחוץ למעבדה. המחברים שואפים לכווץ את התשתית הזו על‑ידי העברת פונקציות לייזר ואופטיקה מרכזיות אל שבבים פוטוניים משולבים העשויים מניטריד הסיליקון, חומר התואם לייצור חצי מוליך סטנדרטי.

נתיב סליל להארת יציבות קיצונית

לב המערכת החדשה הוא סוג מיוחד של לייזר שנקרא לייזר ברילואין, הבנוי ישירות על שבב מניטריד הסיליקון ופועל באורך גל אדום נראה של 674 ננומטר — הצבע המדויק הדרוש לטיפול במעבר קריטי ביון סטרונציום. אור מלייזר דיודה רגיל מזין טבעת זעירה על השבב, שם אינטראקציות בין גלי אור וגלי קול מייצרות אות ברילואין צר ושקט ביותר. אור זה נעשה אז נעול לשבב שני: נתיב אופטי באורך שלוש מטרים סליל לתוך תהודה ספירלית קומפקטית. הנתיב הארוך מייצב שינויים בטמפרטורה והפרעות אחרות דרך ממוצע, ומצמצם באופן דרמטי רעש בתדירות הלייזר. מערכת בקנה מידה שבבי זו משיגה רוחב קו יסודי של כ‑14 הרץ ורוחב אפקטיבי רחב יותר של כמה מאות הרץ בלבד, מתחרה במערכות מעבדה גדולות בהרבה.

לאפשר ליון לכוון את הלייזר

כדי לדחוף את היציבות עוד יותר, הצוות מאפשר ליון המיונן עצמו לשמש כסמכות הסופית על התדירות. לייזר הברילואין, שכבר הושקט על‑ידי התהודה הסלילית, מכוּון שוב ושוב כדי לבדוק צדדים מנוגדים של מעבר חדה במיוחד ביון סטרונציום‑88 יחיד, שרוחבו הטבעי הוא רק 0.4 הרץ. על‑ידי השוואת הסיכוי שהיון יינשא בכל צד ומתן תיקונים זעירים כל 20 מילישניות, החוקרים "משמיטים" את הלייזר לעקוב אחר תדירות הייחוס של היון עצמו. הרצת שני לולאות משוב כאלה בצורה מתחלפת מאפשרת להם להשוות את הלולאות ביניהן ולהראות שבמסגרת ההתייחסות המקומית של היון, התנדננות התדירות של הלייזר היא כ‑180 הרץ בלבד במשך 100 שניות — המקביל ליציבות שבריתית טובה מאחד בחלקי 10^12.

הכנה וקריאה של מצבים קוונטיים

עם לייזר בקנה מידה שבבי זה המיוצב, הצוות מבצע את מכלול הפעולות הבסיסיות על קיוביט ביון מיונן בטמפרטורת החדר. הם משתמשים בפולסים לייזר מתוזמנים בקפידה כדי להזרים את היון למצב התחלי נבחר, להניע אותו בין שתי רמות אנרגיה היוצרות קיוביט, ואז להעביר אחת מהרמות האלו למצב ארוך־חיים למדידה על‑ידי הבהוב. הרעש הנמוך של לייזר הברילואין מאפשר ספקטרוסקופיה ברורה של המבנה הפנימי של היון, קווי ספקטרום צרים עד 1.5 קילוהרץ, ואוסילציות נקיות של מצב הקיוביט בזמן. בסך‑הכל הם משיגים דיוק בהכנה ובמדידה של מצבים של 99.6%, עם תפעול יעיל יותר — פחות פולסים ואינטראקציות קשורות ארוכות יותר — מאשר בשימוש בלייזר דיודה סטנדרטי שמיוצב רק לתהודה הסלילית.

אל טכנולוגיה קוונטית בגודל כיס

המחקר מראה שרכיבי פוטוניקה משולבים בקנה מידה שבבי יכולים לספק ביצועי לייזר טובים מספיק להריץ ניסויים קוונטיים תובעניים מבוססי יונים בלי תעלות ייחוס נפחיות או המרות תדירות מסובכות. מאחר שפלטפורמת ניטריד הסיליקון תואמת לשבבי האלקטרודות שמחזיקות את היונים, בעתיד מכשירים יוכלו לשלב לייזרים, תהודות ומלכודות יונים על מצע יחיד. אינטגרציה כזו תצמצם רעש פאזה ממסלולים אופטיים, תקטין גודל וצריכת הספק, ותפתח את הדלת למחשבים קוונטיים ניידים, שעונים אופטיים מוכנים לשדה, וחיישנים קוונטיים קומפקטיים לניווט ומחקר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: קיוביטים מיוננים, פוטוניקה משולבת, לייזר ברילואין, שעונים אופטיים אטומיים, חומרת מחשוב קוונטית