芯片尺度线圈稳定的布里渊激光驱动室温囚禁离子量子比特

为微型量子机器提供更清晰的光

量子计算机和超高精度时钟有望带来超越现有技术的导航系统、传感器和计时设备。但驱动关键量子比特（qubit）的激光通常体积庞大、易碎且固定在实验台上。本文展示了一种足够小以集成在芯片上的激光系统，仍能提供控制单个室温囚禁离子所需的超净光——这是迈向可携带量子器件的重要一步。

从房间大小的激光到芯片

囚禁离子是构建量子计算机和光学时钟的主要路线之一。悬浮在微加工电极芯片上的单个离子既可用作量子比特，也可用作计时参照。然而，目前的系统依赖大型外腔激光器和米级玻璃腔来保持激光频率稳定。这些装置占据光学台，需要对振动和温度变化进行精密隔离，难以搬出实验室。作者的目标是通过将关键的激光与光学功能转移到由氮化硅制成的集成光子芯片上来缩小这些基础设施，这种材料与标准半导体制造兼容。

绕圈实现超稳定光

新系统的核心是一种特殊的激光：布里渊激光，直接构建在氮化硅芯片上，工作在674纳米的可见红光波长——正好用于驱动锶离子中的一个关键跃迁。来自常规二极管激光器的光泵入片上微小环腔，光与声波之间的相互作用产生极窄且低噪声的布里渊信号。该光随后被锁定到第二个芯片：一个缠绕成紧凑螺旋的三米长光程谐振器。长光程平均化了温度波动和其它扰动，从而显著降低了激光频率噪声。所得的芯片级系统实现了约14赫兹的基线线宽和仅几百赫兹的有效线宽，足以与体积更大的实验室系统相媲美。

让离子为激光定频

为了进一步提高稳定性，团队让囚禁离子本身成为频率的最终参考。经过线圈谐振器降噪的布里渊激光被反复调谐，用以探测单个锶-88离子一个异常锐利跃迁的两侧，该跃迁的自然线宽仅为0.4赫兹。通过比较离子在两侧被激发的概率并每20毫秒反馈极小的修正，研究人员“约束”激光跟随离子的参考频率。以交错方式运行两个此类反馈回路使他们能够相互比较，显示在离子的局部参考系中，激光在100秒内的频率抖动仅约180赫兹——对应的相对稳定度优于10^(-12)。

制备与读取量子态

借助该稳定的芯片级激光，团队在室温囚禁离子上执行了完整的一套基本量子比特操作。他们使用精确定时的激光脉冲将离子泵入选定的初态，驱动其在构成量子比特的两个能级之间跃迁，然后将其中一个能级搁置到长寿命态，以通过荧光进行测量。布里渊激光的低噪声使得对离子内部结构进行清晰的光谱学测量成为可能，谱线窄至1.5千赫兹，并且量子比特随时间的振荡清晰可见。总体而言，他们实现了99.6%的态制备和测量精度，且相比仅用线圈稳定的标准二极管激光器，操作更高效——所需脉冲更少，相干作用时长更长。

迈向口袋尺寸的量子技术

这项研究表明芯片尺度的光子组件能够提供足以运行苛刻离子量子实验的激光性能，而无需庞大的参考腔或复杂的频率转换。由于氮化硅平台与承载离子的电极芯片兼容，未来器件可能把激光器、谐振器和离子阱集成到单一基底上。这种集成将减少光路引起的相位噪声、缩小体积并降低功耗，从而为可携带的量子计算机、野外可用的光学时钟和用于导航与科学的紧凑量子传感器打开大门。

引用: 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

关键词: 囚禁离子量子比特, 集成光子学, 布里渊激光, 光学原子钟, 量子计算硬件