一、量子系統(tǒng)與激光器
Quantum System and Laser
量子科技在提升運(yùn)算處理能力、加強(qiáng)信息安全保護(hù)能力、提高傳感測量精度等方面,具備廣闊技術(shù)潛力。當(dāng)前量子科技產(chǎn)業(yè)包括量子計算、量子通信、量子測量三大方向,而激光器通過操控量子系統(tǒng)中的粒子(如離子和原子等),從而在量子領(lǐng)域中扮演了非常關(guān)鍵的角色。
其中,激光器的噪聲對量子系統(tǒng)有著非常直接的影響,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
1) 影響量子比特的保真度
量子比特(qubit)的保真度指的是量子比特在操作和測量過程中的準(zhǔn)確性。高保真度意味著量子比特能夠準(zhǔn)確地保持其量子狀態(tài)。
影響:激光噪聲會導(dǎo)致量子比特狀態(tài)的變化或不穩(wěn)定,從而降低保真度。量子計算和量子信息處理依賴于高保真度的量子比特,以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
2) 干擾精確控制
量子系統(tǒng)中常需要對粒子(如離子或冷原子)進(jìn)行精確的激發(fā)和操控,以實現(xiàn)量子計算的操作。
影響:激光噪聲會導(dǎo)致激光頻率的波動,從而影響對粒子的精確控制。這會使得量子操作的精確性下降,影響計算和操作的效果。
3) 影響量子測量
量子測量是讀取量子系統(tǒng)狀態(tài)的過程,通常需要高精度的探測。
影響:激光噪聲會影響測量過程中光子的信號,從而導(dǎo)致測量結(jié)果的不準(zhǔn)確。這會影響到量子狀態(tài)的讀取精度,進(jìn)而影響實驗結(jié)果的可靠性。
4) 影響量子通信的安全性
量子通信包括量子密鑰分發(fā)(QKD)等應(yīng)用,需要通過量子態(tài)的傳輸確保信息的安全。
影響:激光噪聲會導(dǎo)致光子產(chǎn)生的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性,從而增加誤碼率,降低通信的安全性和有效性。
5) 影響量子冷卻和陷阱
激光冷卻技術(shù)用于將粒子冷卻至接近絕對零度,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;光陷阱用于將粒子固定在特定位置。
影響:激光噪聲會干擾冷卻過程,導(dǎo)致粒子動能增加,影響冷卻效果。同時,噪聲還可能導(dǎo)致粒子在光陷阱中的不穩(wěn)定,影響實驗的精度和效果。
量子技術(shù)的精確控制和測量要求激光器具有極低的噪聲水平,必須通過精確的技術(shù)和方法來加以控制,以確保量子計算、量子通信等應(yīng)用的高效性和可靠性,關(guān)于激光器噪聲控制方法,主要有以下幾種方法:
- 噪聲抑制技術(shù):通過改進(jìn)激光器設(shè)計和使用噪聲抑制技術(shù)來減少激光噪聲。
- 激光頻率鎖定:使用高精度的頻率鎖定技術(shù)來穩(wěn)定激光的輸出頻率。
- 補(bǔ)償和校正:在實驗中采用補(bǔ)償和校正技術(shù)來減小噪聲對量子操作的影響。
二、OEwaves技術(shù)背景
Technical Background of OEwaves
OEwaves 成立于 2000 年,作為一個從美國NASA旗下Jet Propulsion Laboratory 和加州理工學(xué)院的研究中衍生出的公司。公司致力于將先進(jìn)的激光技術(shù)商業(yè)化,并在多個高科技領(lǐng)域中應(yīng)用這些技術(shù)。OEwaves 的技術(shù)背景和發(fā)展歷史深深植根于 JPL 和 Caltech 的激光頻率穩(wěn)定、光學(xué)傳感器等前沿研究,OEwaves 公司獲得了多達(dá) 126 項專利,微波光子領(lǐng)域的專利超過 30 項,并且公司還獲得了無數(shù)獎項,包括兩個著名的SPIE Prism 獎、lEEESawyer獎 及Patrick Soon-Shiong 創(chuàng)新獎。公司在電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)半導(dǎo)體制造專利權(quán)排名中名列前 20 名。這為公司在激光和光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的成功奠定了堅實的基礎(chǔ),近幾年公司專注于量子計算領(lǐng)域。公司的主打產(chǎn)品為超窄線寬激光器、激光器線寬及RIN噪聲測量設(shè)備等。
為什么量子系統(tǒng)需要超窄線寬激光器?
拿鐿(Yb?)離子系統(tǒng)舉例,時鐘躍遷的435納米波長的激光器并不容易獲取,通常需要使用871納米的激光器,然后通過倍頻技術(shù)達(dá)到所需波長。在這個系統(tǒng)中就更需要低噪聲激光器,以確保與原子的高效相互作用。那么為什么需要這樣做呢?因為鐘躍遷是一個非常窄的躍遷,需要使用低噪聲的激光器,以便高效地與這個躍遷相互作用并激發(fā)它。該激光器既用于激發(fā),也用于測量。
OEwaves超窄線寬激光器屬于半導(dǎo)體激光器,體積小,可和iPhone相比,堅固耐用,且功耗非常低,該激光器基于回音壁光學(xué)微腔技術(shù)(WGM)。
該回音壁光學(xué)微腔技術(shù)享譽(yù)業(yè)界,OEwaves于2010年獲得該項技術(shù)專利,它采用了高質(zhì)量的光學(xué)諧振腔,通過諧振光學(xué)反饋技術(shù),實現(xiàn)了對激光二極管自注入鎖定能力的有效利用。該諧振腔尺寸非常小,僅有100μm至幾毫米。OEwaves激光器擁有極高的Q-factor系數(shù),可達(dá)1012,晶體可穿透的波段非常寬,從近紫外到中紅外370-4500nm的波段。
光通過腔體,形成一定的腔體模態(tài),然后使用“漸逝波耦合”技術(shù)將光耦合進(jìn)去。然后使用一個小型的毫米級棱鏡,讓棱鏡的場與腔體的漸逝場相互作用,從而將光耦合到腔體中。之后,一些在腔體中循環(huán)的光由于瑞利散射被散射回激光器,通過一個叫做“自注入鎖定”的過程,激光的發(fā)射被鎖定到腔體的模態(tài)上,該技術(shù)非常穩(wěn)健,是OEwaves的一項專利技術(shù),該系統(tǒng)其中一個優(yōu)勢是它不需要任何電子設(shè)備,是一個完全光學(xué)的系統(tǒng)。當(dāng)這種相互作用發(fā)生時,經(jīng)過腔體濾波的光會被反饋到激光器中,導(dǎo)致激光器的模態(tài)坍塌,從而使激光器的線寬變得非常窄。
回音壁模式諧振腔有多種多樣的形式,OEwaves使用了硅微球和晶體共振腔,而晶體共振腔是OEwaves最常用的材料。此外,還包括楔形共振腔、微環(huán)共振腔,最近還使用過用于光子集成電路的各種新材料。然而,晶體腔體的品質(zhì)因數(shù)是所有腔體中最大的,可達(dá)1010到1011,這與其它系統(tǒng)相比非常高。擁有如此高的品質(zhì)因數(shù)意味著腔體模態(tài)帶寬非常窄,而這種窄帶寬提供了非常好的濾波能力。
三、 不同波長激光器示例
Lasers Example of Different Wavelength
在量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子傳感器應(yīng)用中,常常會用到像銣、鈣離子、鍶、鍶離子、鐿、鐿離子以及鋇系統(tǒng),這些原子和離子在支持量子技術(shù)方面至關(guān)重要,因為它們提供了長壽命的量子態(tài):
- 量子計算:用于量子比特(Qubit)的狀態(tài)和量子門操作。
- 量子通信:生成糾纏光子對,支持量子傳輸。
- 量子網(wǎng)絡(luò):用于量子算法和量子加密。
- 量子傳感器:提供壓縮態(tài)(Squeezed States)、單光子探測和高精度計量。
而這些不同原子、離子需要不同波長的激光器進(jìn)行操控、讀取、冷卻等,OEwaves都可提供對應(yīng)穩(wěn)定可靠的激光器產(chǎn)品。
1550nm激光器
上面兩個圖為通過自注入鎖定與腔體耦合的1550nm半導(dǎo)體激光器。第二張圖Y軸表示SSB相位噪聲,X軸是傅里葉頻率,當(dāng)使用分布反饋的法布里-珀羅腔體激發(fā)半導(dǎo)體激光器并測量其噪聲時,會得到圖中的紅色曲線。當(dāng)光其與諧振腔耦合后,噪聲被抑制了60 dB,相當(dāng)于降低了100萬倍。
該方案的一個優(yōu)勢是可以使用任何波長的激光器,只要它的波長落在微腔的透明窗口內(nèi),就可以利用這種方法來降低噪聲。該微腔透明窗口通常從紫外波段覆蓋到紅外波段,不同公司生產(chǎn)的激光器波長不同,但都可通過OEwaves的微腔,因此可利用這種腔體降低任何波長激光器的噪聲。
871nm激光器
上圖為OEwaves的一個DARPA項目,OEwaves為該項目鐿離子鐘系統(tǒng)研發(fā)了一款低噪聲激光器,圖中左側(cè)顯示的是相位噪聲,右側(cè)是頻率噪聲,通過降低噪聲,使激光器實現(xiàn)鎖定,其穩(wěn)定性達(dá)到 10-14 量級,且這個穩(wěn)定性是在一秒鐘的時間尺度上實現(xiàn)的。激光器的噪聲至關(guān)重要,可保持激光器的穩(wěn)定性,使得激光器更好的與系統(tǒng)相互作用。1MHz的頻率偏移下,噪聲水平可降低至低于1Hz的范圍。因此,這是一個subHz激光器。該激光器是半導(dǎo)體激光器,尺寸緊湊,輸出功率為 120 mW,非常適合該時鐘系統(tǒng)。
795nm激光器調(diào)制
OEwaves激光器的一個優(yōu)點是可以將PZT(壓電陶瓷致動器)層壓到諧振器上。當(dāng)對PZT施加電壓時,它會對諧振器施加壓力,而這個壓力會改變諧振器的折射率,從而引起激光模式的頻率偏移。通過這種方式對激光進(jìn)行調(diào)制,這是將激光鎖定到原子躍遷或光學(xué)腔時所需要的。
激光鎖定需要非常低的相對幅度調(diào)制(RAM),這個參數(shù)與調(diào)制器中的非線性效應(yīng)有關(guān)。這種方法使得系統(tǒng)表現(xiàn)得非常線性,能夠獲得比激光本身噪聲低80dB的RAM水平,這個-80dB的改善非常重要,因為在其他系統(tǒng)中,如果要實現(xiàn)類似的穩(wěn)定性,需要使用非常復(fù)雜的電路。而OEwaves的方法很簡單,只需在PZT上施加電壓即可。
2μm 激光器調(diào)制
4.6μm 激光器調(diào)制
446nm 激光器調(diào)制
370nm激光器
如上為OEwaves公司可提供的激光器的一些案例,波長范圍覆蓋40nm-4.6μm,同時也可以根據(jù)客戶的具體系統(tǒng)和要求進(jìn)行定制。
四、激光器噪聲測量系統(tǒng)
Lasers Noise Measurement System
美國OEwaves公司不但可以提供多種波長的激光器,同時也可提供專門用于測量這些激光器的相位噪聲、頻率噪聲和RIN噪聲,如下為市面上不同應(yīng)用及系統(tǒng)所用到測量設(shè)備。這對于量子計算這樣復(fù)雜的系統(tǒng)來說,非常重要,因為存在的噪聲會影響系統(tǒng)性能,但有時候并不知道噪聲的來源,而OEwaves的測量系統(tǒng)可以確定噪聲是否來自激光。
五、卓越光子
About Beyond Light
卓越光子作為美國OEwaves公司在中國獨(dú)家授權(quán)的代理商,負(fù)責(zé)OEwaves公司超窄線寬激光器、線寬測量儀及RIN噪聲分析儀等產(chǎn)品在中國的銷售、技術(shù)支持、售后服務(wù)、市場拓展和渠道建設(shè)等工作,如您對產(chǎn)品有什么疑問的話,我們期待與您更深入的探討!
注:如上內(nèi)容來源于美國OEwaves公司President&CEO Lute Maleki在日本Q2B量子會議上的報告。
日本的Q2B會議是一個專注于實用量子計算的全球性會議,主要由QC Ware主辦。該會議匯集了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府的專家,共同討論量子技術(shù)的最新進(jìn)展。會議涵蓋量子計算、量子通信、量子傳感器和量子網(wǎng)絡(luò)等廣泛領(lǐng)域,并且展示了量子技術(shù)在航空、金融、醫(yī)療等行業(yè)的實際應(yīng)用。