将量子科学的桌面精密激光器的力量带到芯片规模
Andrei Isichenko拿着超高质量的环形谐振器（左），它可以帮助将“粗糙”的光从市售的Fabry-Perot激光二极管（右）变成低线宽的激光。来源：加州大学圣巴巴拉分校Sonia Fernandez
在探索原子世界的奥秘中，科学家们追求着前所未有的精确度与控制力，这在高精尖的实验设备如双光子原子钟、冷原子干涉仪传感器以及量子门等领域尤为关键。这些实验对光源的要求极高，激光因其单色性好（即发射的光几乎为单一颜色或频率）而成为首选。传统的实验室级激光系统虽然能够提供所需的超低噪声和高度稳定的光，但它们往往庞大且价格不菲，通常安装在笨重的桌面设备上，这些设备被精心调校以在极窄的光谱范围内高效地产生、操控并发射光子。
想象一下，如果这些尖端技术能够摆脱实验室环境的束缚，变得小巧便携，将会带来怎样的变革？这正是加州大学圣巴巴拉分校的工程教授丹尼尔·布卢门撒尔（Daniel Blumenthal）及其团队正在努力的方向。他们的目标是，在一种可以轻松握于掌中的轻量级设备上，重现那些大型激光器的卓越性能。
Blumenthal实验室的研究生研究员Andrei Isichenko解释道，这种小型化的激光器将为量子系统提供全新的可能，包括可扩展的激光解决方案，以及适用于便携式、现场部署乃至天基应用的量子传感器。这意味着，无论是中性原子量子计算、俘获离子量子计算这样的前沿技术领域，还是依赖于冷原子量子原理的原子钟、重力仪等传感器，都将迎来革命性的发展。
在《科学报告》杂志上，Blumenthal、Isichenko及其团队展示了一项重要的研究成果——一款芯片级超低线宽自注入锁定780纳米激光器。这款装置的大小仅相当于一个火柴盒，但在性能上却能超越现有的窄线宽780纳米激光器，而其制造成本和所占空间却大幅度降低。具体而言，虽然具体的性能提升比例和成本降低幅度因不同设计和制造过程而异，但这类微型化激光器的出现，无疑为实现更广泛、更灵活的量子技术应用奠定了坚实的基础。
例如，如果这种激光器能被集成到量子计算机的小型化版本中，它将使得量子计算更加便于携带和部署，为科学研究、加密通信等领域带来前所未有的便捷性。同样，在航天领域，利用这种小型激光器构建的量子传感器能够更精确地测量地球重力场、时间标准等，为地球科学、导航系统等提供更为精确的数据支持。
总之，Blumenthal团队的研究不仅推动了激光技术的微型化进程，更为量子科技的未来发展开辟了新的道路，预示着一个更加智能化、便携化的量子技术时代的到来 。
混合集成芯片级780nm自注入锁定激光器。来源：《科学报告》（2024）。DOI: 10.1038/s41598-024-76699-x套索激光
在激光技术的发展历程中，铷原子凭借其独特的性质成为了高精度应用的明星。为何铷原子如此受欢迎？这主要得益于其D2光跃迁的非凡稳定性，这一特性让它成为原子钟的理想之选，能够确保时间的精确测量。同时，铷原子的高度灵敏度也让它在传感器和冷原子物理学领域大放异彩。
想象一下，当我们利用近红外激光穿过含有铷原子的蒸气时，激光能够稳定地模拟出原子跃迁的特性。这就像Blumenthal教授所说的那样：“你可以把原子跃迁线想象成一根套索，用来固定激光。”换句话说，当激光被锁定在铷原子的跃迁线上时，激光的稳定性几乎与原子跃迁本身一样出色。
然而，要想获得高质量的激光光束，并不是简单地让红光闪耀就能实现的。关键在于去除那些干扰的“噪音”。Blumenthal教授用一个生动的比喻来解释这一点：就像音叉敲出的C音可能非常纯净，而吉他弹奏的C音却可能夹杂着其他音调一样，激光也可能包含多种频率（颜色），从而产生额外的“音调”。
为了创造出纯净的深红色单频激光，研究人员面临着一项挑战：如何在微小的芯片上集成所有必要的功能和性能。Blumenthal团队迎难而上，他们使用了市售的法布里-珀罗激光二极管、低损耗波导（在团队自己的实验室制造）以及高质量因数谐振器，所有这些组件都是在氮化硅平台上制造的。通过这些努力，他们成功地复制了笨重桌面系统的性能，并且在频率噪声和线宽等关键指标上，他们的设备甚至优于一些桌面激光器以及先前报道的集成激光器，达到了四个数量级的提升。
Isichenko解释道，低线宽意味着他们可以在不牺牲激光性能的前提下实现紧凑的设计。在某些方面，由于全芯片级集成，他们的激光器性能甚至超过了传统激光器。这些极低的线宽（在本项目中，达到了创纪录的低亚赫兹基频和亚kHz积分）不仅展示了激光技术的稳定性，还体现了它克服外部和内部噪声源的能力。
除了性能卓越，这项技术还带来了成本上的优势。他们使用的二极管成本仅为50美元，而且采用了成本效益高、可扩展的制造工艺，这种工艺借鉴了电子芯片制造领域的CMOS兼容晶圆规模工艺。
这项技术的成功意味着，高性能、精确且低成本的光子学集成激光器将有可能在实验室内外的各种场合得到广泛应用。无论是量子实验、原子计时还是对最微弱信号的感知（如地球周围重力加速度的变化），这些激光器都能发挥重要作用。布卢门撒尔教授甚至设想：“你可以把这些激光器放在卫星上，以一定的精度绘制地球及其周围的引力地图。”通过感知地球周围的引力场，我们可以测量海平面上升、海冰变化以及地震等自然现象。他补充说，紧凑、低功耗和轻重量使得这些激光器成为太空部署的“完美选择”。
