1758961087
2025-09-27 07:50:00
Представьте себе, что вы несете устройство в кармане, которое может измерить повышение уровня моря с точностью точной точки, обнаружить землетрясения в сотни километров или даже помочь охотиться за неуловимой темной материей.
В течение десятилетий такая точность была возможна только внутри высококонтролируемых лабораторий физики, где эксперименты с холодным атом занимают целые комнаты с оптическими столами, стойками лазеров и тонкими инструментами.
Тем не менее, теперь исследователи из Калифорнийского университета (UC) Санта-Барбара находят способы сократить эти установки в чипсы размером с ладонь. Их достижение может изменить то, как мы изучаем квантовый мир и технологии, начиная от навигации и мониторинга климата до хронометража и квантовых вычислений.
Действительно сложно сделать крошечные квантовые чипсы
Задача всегда заключалась в том, что эксперименты с холодным атом очень сложны. Атомы должны быть пойманы в ловушку, охлаждаться почти до абсолютного нуля и исследовать лазерами, настроенными на удивительные уровни точности.
До недавнего времени это требовало громоздких лабораторных установок без вибраций, которые невозможно было перенести в поле или пространство. Блюменталь и его команда, однако, потратили более десяти лет, исследуя возможность – что, если бы все функции оптического стола могли быть миниатюрными и построены непосредственно на чип?
Их исследования начались с оборонных проектов. Агентство Advanced Research Projects (DARPA) США (DARPA) хотело меньших атомных часов, которые полагаются на устойчивые колебания атомов, таких как цезий или рубидий.
Исследователи работали над доставкой лучей, системой лазеров, которые ловят и охлаждают эти атомы. Однако они не хотели останавливаться здесь. Они задавались вопросом, можно ли уменьшить весь оптический таблица (лазеры, зеркала, модуляторы, стабилизаторы и частотные переключения)) в чип?
Это была немалая задача. На традиционной оптической таблице каждый компонент тщательно выровнен и стабилизирован. Повторите эту точность на чипе требует не только передовой инженерии, но и новых материалов и проектов.
Преобразование громоздких настройки в миниатюрные системы
Лазер для самостоятельного инъекции, используемый исследователями. Источник: Мэтт Перко
Чтобы достичь этого, исследователи полагались на интегрированную фотонику, технологию, уже работающую в телекоммуникациях и медицинских устройствах. Фотонные интегрированные схемы направляют и манипулируют светом, как электронные чипы с электричеством.
Это заняло много лет, но к 2023 году Исследователи попали в вехуПолем Они создали холодные атомы рубидиума, используя балки, доставляемые их фотонной интегрированной трехмерной магнитооптической ловушкой (PICMOT). Система использовала нитридные волноводы кремния для доставки лазерных лучей в вакуумную клетку, заполненную паром рубидия.
С помощью магнитных катушек и тщательно выровненных балок им удалось поймать более миллиона атомов и охладить их до 250 микрокельвинов (около -460 ° F). «Более холодные атомы плюс больше атомов равны лучшей точности и большей чувствительности. Это потому, что вы усредняете измерение по большему количеству датчиков», – сказал Блюменталь.
Затем в 2024 году они решили еще одну критическую проблему, шумные лазеры. Многие коммерческие лазеры имеют широкие, нестабильные ширины линии, которые делают их непригодными для квантовой точности. Исследователи разработали ультра-низкую ширину линии, Самопочтенный лазер 780 нм интегрируется на их чип кремния нитрид.
Начиная с обычного диодного лазера Fabry-Pérot, они очистили шум, используя высококачественные резонаторы и волноводы, создавая стабильный, одночастотный световой идеал для квантового зондирования и вычислений. Этот лазер на основе чипов не только соперничал с обычными лабораторными системами, но и в некотором смысле работал лучше-более быстрая обратная связь, более низкий шум и большую стабильность.
Исследование не закончилось
С лазерами, доставкой лучей и оптическим контролем, работающим в настоящее время на чипах, исследователи близки к копированию всей оптической таблицы в миниатюрной форме. Они даже расширили свой подход к пойманным ионам, другой платформе для квантовых компьютеров, где необходимо всего несколько атомов.
В партнерстве с Университетом Массачусетса Амхерст они недавно использовали интегрированные лазеры для создания ионных кубитов впервые. Это огромный шаг к компактным квантовым процессорам.
Кроме того, квантовые компьютеры, построенные из этих миниатюрных систем, могут масштабироваться быстрее и при более низких затратах.
Однако в то время как захваченные ионы уже доставляются на чипсы, другие компоненты (вакуумные ячейки, аппаратное обеспечение и источник атома), которые требуют большого количества атомов, все еще труднее миниатюрировать. Команда активно работает над этой проблемой.
В ближайшие годы они надеются объединить все эти элементы в устройство размером с ладонь, которое может делать то, что когда-то потребовалось целую лабораторию.
#Интегрированная #фотоника #может #принести #квантовую #ловушку #на #миллион #атомов #чипсы
Читайте также
