Бриллюэновский лазер стабилизированный на катушке в масштабе чипа, управляющий кубитом захваченного иона при комнатной температуре

Более чистый свет для крошечных квантовых устройств

Квантовые компьютеры и сверхточные часы обещают навигационные системы, датчики и средства учёта времени, значительно превосходящие современные технологии. Но лазеры, которые управляют ключевыми квантовыми битами (кубитами), обычно громоздки, хрупки и привязаны к лабораторным столам. В этой работе показано, что лазерная система, настолько компактная, что помещается на чипе, по-прежнему способна выдавать ультрачистый свет, необходимый для управления одиночным захваченным ионом при комнатной температуре — важный шаг на пути к портативным квантовым устройствам.

От лазеров размером с комнату к чипам

Захваченные ионы — один из ведущих подходов к созданию квантовых компьютеров и оптических часов. Один ион, удерживаемый над микрофабрикованным электродным чипом, может служить и кубитом, и эталоном времени. Однако современные системы полагаются на крупные лазеры с внешним резонатором и метрические стеклянные резонаторы для стабилизации частоты лазера. Такие установки занимают оптические столы, требуют тщательной изоляции от вибраций и температурных колебаний и плохо подходят для выноса за пределы лаборатории. Авторы ставят цель сократить эту инфраструктуру, перенесши ключевые лазерные и оптические функции на интегрированные фотонные чипы из нитрида кремния — материала, совместимого со стандартной полупроводниковой технологией.

Катушечный путь к ультра-стабильному свету

Ядром новой системы является особый тип лазера — брилллюэновский лазер, построенный прямо на чипе из нитрида кремния и работающий в видимой красной области с длиной волны 674 нанометра — точно том цвете, который нужен для обращения к важному переходу в ионе стронция. Свет от обычного диодного лазера подаёт энергию в маленькое кольцо на чипе, где взаимодействие света и акустических волн генерирует чрезвычайно узкий и тихий брилллюэновский сигнал. Этот свет затем привязывают ко второму чипу: трёхметровому оптическому пути, свернутому в компактный спиральный резонатор. Длинный путь усредняет температурные флуктуации и другие возмущения, что резко снижает шум в частоте лазера. Полученная система в масштабе чипа достигает фундаментальной ширины линии примерно 14 герц и эффективной ширины всего в несколько сотен герц, сопоставимой с гораздо более крупными лабораторными системами.

Пусть ион настраивает лазер

Чтобы добиться ещё большей стабильности, команда использует сам захваченный ион в качестве окончательного эталона частоты. Бриллюэновский лазер, уже подавленный катушечным резонатором, многократно подстраивают, чтобы зондировать противоположные стороны чрезвычайно острого перехода в одном стронции-88, естественная ширина которого всего 0,4 герца. Сравнивая вероятность возбуждения иона с каждой стороны и подавая обратную связь с крошечными корректировками каждые 20 миллисекунд, исследователи «дисциплинируют» лазер следовать за собственной опорной частотой иона. Запуск двух таких контуров обратной связи в чередующемся режиме позволяет сравнить их между собой и показать, что в локальной системе отсчёта иона флуктуации частоты лазера составляют всего около 180 герц за 100 секунд — что соответствует дробной стабильности лучше одной части на 10^12.

Подготовка и считывание квантовых состояний

С этим стабилизированным лазером в масштабе чипа команда выполняет полный набор базовых операций с кубитом на захваченном ионе при комнатной температуре. Они используют точно синхронизированные лазерные импульсы, чтобы накачать ион в выбранное начальное состояние, переводить его между двумя энергетическими уровнями, образующими кубит, а затем переводить один из этих уровней в долго живущее состояние для измерения по флуоресценции. Низкий шум брилллюэновского лазера обеспечивает чёткую спектроскопию внутренней структуры иона, узкие спектральные линии до 1,5 килогерц и чистые осцилляции состояния кубита во времени. В целом они достигают точности подготовки и измерения состояния на уровне 99,6%, при этом операции выполняются эффективнее — требуется меньше импульсов и возможны более длительные когерентные взаимодействия — по сравнению со стандартным диодным лазером, стабилизированным только на катушке.

К карманным квантовым технологиям

Исследование демонстрирует, что фотонные компоненты в масштабе чипа могут обеспечить качество лазера, достаточное для проведения требовательных экспериментов с ионами без громоздких эталонных резонаторов или сложных преобразований частоты. Поскольку платформа на основе нитрида кремния совместима с электродными чипами, удерживающими ионы, будущие устройства могли бы интегрировать лазеры, резонаторы и ловушки ионов на одной подложке. Такая интеграция уменьшит фазовый шум оптических путей, сократит размеры и потребление энергии и откроет путь к портативным квантовым компьютерам, полевым оптическим часам и компактным квантовым датчикам для навигации и научных приложений.

Цитирование: 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

Ключевые слова: кубиты захваченных ионов, интегрированная фотоника, брилллюэновский лазер, оптические атомные часы, аппаратное обеспечение для квантовых вычислений