Laser Brillouina stabilizowany cewką w skali układu scalonego napędzający kubit uwięzionego jonu w temperaturze pokojowej

Bardziej czyste światło dla małych maszyn kwantowych

Komputery kwantowe i ultradokładne zegary obiecują systemy nawigacyjne, czujniki i urządzenia do odmierzania czasu znacznie przewyższające dzisiejszą technologię. Jednak lasery sterujące kluczowymi bitami kwantowymi (kubitami) bywają zwykle wielkie, kruche i przytwierdzone do stołów laboratoryjnych. Artykuł pokazuje, że system laserowy na tyle mały, by zmieścić się na układzie scalonym, nadal może dostarczyć niezwykle czyste światło potrzebne do kontrolowania pojedynczego uwięzionego jonu w temperaturze pokojowej — ważny krok w kierunku przenośnych urządzeń kwantowych.

Od laserów wielkości pomieszczeń do układów scalonych

Uwięzione jony są jednym z wiodących podejść do budowy komputerów kwantowych i zegarów optycznych. Pojedynczy jon trzymany nad mikrostrukturą elektrodową może pełnić funkcję zarówno kubitu, jak i zegara. Obecne systemy opierają się jednak na dużych laserach zewnętrznych i szklanych kawitach o długości rzędu metrów, by utrzymać stabilność częstotliwości lasera. Takie układy zajmują stoły optyczne, wymagają starannej izolacji od drgań i zmian temperatury oraz trudno je przenieść poza laboratorium. Autorzy dążą do zmniejszenia tej infrastruktury poprzez przeniesienie kluczowych funkcji laserowych i optycznych na zintegrowane chipy fotoniczne wykonane z azotku krzemu — materiału zgodnego ze standardową produkcją półprzewodnikową.

Zwinięta ścieżka do ultrastabilnego światła

Rdzeniem nowego systemu jest specjalny typ lasera zwany laserem Brillouina, zbudowany bezpośrednio na chipie z azotku krzemu i pracujący przy widzialnej czerwonej długości fali 674 nanometrów — dokładnie koloru potrzebnego do adresowania kluczowego przejścia w jonie strontu. Światło z konwencjonalnego lasera diodowego pompuje mały pierścień na chipie, gdzie oddziaływania między falami świetlnymi i akustycznymi generują niezwykle wąski i cichy sygnał Brillouina. To światło jest następnie sprzęgane do drugiego chipu: trzymetrowej ścieżki optycznej zwiniętej w kompaktowy rezonator spiralny. Długa ścieżka uśrednia wahania temperatury i inne zakłócenia, drastycznie redukując szum w częstotliwości lasera. Powstały system w skali chipu osiąga fundamentalną szerokość linii około 14 herców oraz efektywną szerszą szerokość linii rzędu kilkuset herców, rywalizując z dużo większymi systemami laboratoryjnymi.

Poznawanie lasera za pomocą jonu

Aby pchnąć stabilność jeszcze dalej, zespół pozwala, by uwięziony jon sam pełnił rolę ostatecznego wzorca częstotliwości. Laser Brillouina, już wyciszony przez zwinięty rezonator, jest wielokrotnie dostrajany, by sondować przeciwne boki nadzwyczaj ostrego przejścia w pojedynczym jonie strontu-88, którego naturalna szerokość wynosi zaledwie 0,4 hertza. Poprzez porównanie prawdopodobieństwa wzbudzenia jonu po każdej stronie i sprzężenie zwrotne drobnych korekt co 20 milisekund, badacze „zdyscyplinowują” laser, by podążał za częstotliwością odniesienia samego jonu. Uruchomienie dwóch takich pętli sprzężenia zwrotnego w przeplatanym trybie pozwala porównać je ze sobą i wykazać, że w lokalnej ramie odniesienia jonu drgania częstotliwości lasera wynoszą zaledwie około 180 herców przez 100 sekund — co odpowiada stabilności względnej lepszej niż jedna część na 10^12.

Przygotowanie i odczyt stanów kwantowych

Dzięki temu stabilizowanemu laserowi w skali chipu zespół przeprowadza pełen zestaw podstawowych operacji na kubicie w uwięzionym jonie w temperaturze pokojowej. Używają starannie synchronizowanych impulsów laserowych, by przygotować jon w wybranym stanie początkowym, sterować przejściami między dwiema poziomami energetycznymi tworzącymi kubit, a następnie przemieszczać jeden z tych poziomów do stanu o długim czasie życia w celu pomiaru przez fluorescencję. Niski szum lasera Brillouina umożliwia przejrzystą spektroskopię struktury wewnętrznej jonu, wąskie linie spektralne zawężone aż do 1,5 kiloherca oraz czyste oscylacje stanu kubitu w czasie. Ogólnie osiągają dokładność przygotowania stanu i pomiaru na poziomie 99,6%, przy bardziej efektywnej pracy — mniejszej liczbie impulsów i dłuższych koherentnych interakcjach — niż przy użyciu standardowego lasera diodowego stabilizowanego tylko do cewki.

W kierunku kieszonkowej technologii kwantowej

Badanie pokazuje, że fotoniczne komponenty w skali chipu mogą dostarczyć wydajność lasera wystarczającą do prowadzenia wymagających eksperymentów z jonami bez masywnych kawit referencyjnych czy złożonej konwersji częstotliwości. Ponieważ platforma azotku krzemu jest kompatybilna z chipami elektrody utrzymującymi jony, przyszłe urządzenia mogłyby integrować lasery, rezonatory i pułapki jonowe na jednym podłożu. Taka integracja zmniejszyłaby szumy fazowe wynikające ze ścieżek optycznych, zredukowałaby rozmiar i zapotrzebowanie na moc oraz otworzyła drogę do przenośnych komputerów kwantowych, polowych zegarów optycznych i kompaktowych czujników kwantowych do nawigacji i badań naukowych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: kubit y uwięzionych jonów, zintegrowana fotonika, laser Brillouina, optyczne zegary atomowe, sprzęt do obliczeń kwantowych