Spolformad spolkylad Brillouin-laser i chip-skala som driver en rumstempererad fängslad jonqubit

Skarpare ljus för små kvantmaskiner

Kvantdatorer och ultraprecisa klockor erbjuder navigationssystem, sensorer och tidhållningsenheter långt bortom dagens teknik. Men lasrarna som styr de viktiga kvantbitarna (qubits) är ofta skrymmande, ömtåliga och bundna till labbbänkar. Denna artikel visar att ett lasersystem tillräckligt litet för att rymmas på chip ändå kan leverera det mycket rena ljus som krävs för att kontrollera en enstaka fångad jon vid rumstemperatur — ett viktigt steg mot bärbara kvantapparater.

Från rumsstora lasrar till chip

Fångade joner är ett av de ledande angreppssätten för att bygga kvantdatorer och optiska klockor. En enstaka jon hålls ovanför ett mikrofabricerat elektrodchip och kan fungera både som en qubit och som en tidhållare. Dagens system förlitar sig dock på stora externa kavitetlasrar och meterlånga glaskaviteter för att hålla laserfrekvensen stabil. Dessa uppställningar fyller optiska bord, kräver noggrann isolering från vibrationer och temperatursvängningar och är svåra att flytta utanför labbet. Författarna vill krympa denna infrastruktur genom att flytta nyckelfunktioner för laser och optik till integrerade fotoniska chip gjorda av kisel-nitrid, ett material kompatibelt med standard halvledartillverkning.

En hoprullad väg till ultrastabilt ljus

Kärnan i det nya systemet är en särskild sorts laser kallad Brillouin-laser, uppbyggd direkt på ett kisel-nitridchip och som arbetar vid en synlig röd våglängd på 674 nanometer — exakt färgen som krävs för att adressera en viktig övergång i en strontium-jon. Ljus från en konventionell diodlaser pumpas in i en liten ring på chippet, där växelverkan mellan ljus- och ljudvågor genererar en extremt smal och tyst Brillouin-signal. Detta ljus låses sedan till ett andra chip: en tre meter lång optisk bana hoprullad till en kompakt spiralresonator. Den långa banan jämnar ut temperaturfluktuationer och andra störningar, vilket dramatiskt minskar brus i laserfrekvensen. Det resulterande systemet i chip-skala uppnår en fundamental linjebredd på cirka 14 hertz och en bredare effektiv linjebredd på endast några hundra hertz, i nivå med mycket större laboratoriesystem.

Låta jonen stämma in lasern

För att pressa stabiliteten ytterligare låter teamet den fångade jonen själv agera slutgiltig frekvensreferens. Brillouin-lasern, redan dämpad av den hoprullade resonatorn, stäms upprepade gånger för att probas på motsatta sidor av en extraordinärt skarp övergång i en enstaka strontium-88-jon, vars naturliga bredd är bara 0,4 hertz. Genom att jämföra hur sannolikt det är attjonen exciteras på varje sida och mata tillbaka små korrigeringar var 20:e millisekund disciplinerar forskarna lasern att följa jonens egen referensfrekvens. Att köra två sådana återkopplingsslingor i ett växelvis (interleaved) förfarande gör det möjligt att jämföra slingorna mot varandra och visa att, i jonens lokala referensram, varierar laserfrekvensen med endast cirka 180 hertz över 100 sekunder — motsvarande en fraktionell stabilitet bättre än en del på 10^12.

Förbereda och avläsa kvanttillstånd

Med denna stabiliserade chip-skala-laser utför teamet hela uppsättningen grundläggande qubitoperationer på en rumstempererad fångad jon. De använder noggrant tajmade laserpulser för att pumpa jonen till ett valt starttillstånd, driva den mellan två energinivåer som utgör en qubit och sedan placera (shelva) en av dessa nivåer i ett långlivat tillstånd för mätning via fluorescens. Det låga bruset i Brillouin-lasern möjliggör tydlig spektroskopi av jonens interna struktur, smala spektrallinjer ned till 1,5 kilohertz och klara oscillationer i qubitens tillstånd över tiden. Sammantaget uppnår de en noggrannhet i tillståndsförberedelse och mätning på 99,6 %, med mer effektiv drift — färre pulser och längre koherenta interaktioner — än när de använder en standarddiodlaser stabiliserad enbart till spolen.

Mot fickstor kvantteknik

Studien visar att fotoniska komponenter i chip-skala kan leverera laserprestanda tillräcklig för att köra krävande jonbaserade kvantexperiment utan skrymmande referenskaviteter eller komplex frekvenskonvertering. Eftersom kisel-nitridplattformen är kompatibel med de elektrodchip som håller jonerna, skulle framtida enheter kunna integrera lasrar, resonatorer och jonfällor på ett enda substrat. Sådan integration skulle minska fasbrus från optiska banor, krympa storlek och effektbehov samt öppna dörren för bärbara kvantdatorer, fältredo optiska klockor och kompakta kvantsensorer för navigation och forskning.

Citering: 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

Nyckelord: fångade jonqubitar, integrerad fotonik, Brillouin-laser, optiska atomur, kvantdatorteknik