量子科学用卓上精密レーザーのパワーをチップ・スケールへ(Bringing the power of tabletop precision lasers for quantum science to the chip scale)

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2024-12-12 カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)

カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)の研究チームは、量子科学の分野で使用される卓上精密レーザーの性能を、手のひらサイズのチップ上で実現する新たな技術を開発しました。この技術により、従来の大型で高価なシステムに依存せず、高精度なレーザー光を生成することが可能となります。特に、ルビジウム原子のD2光学遷移を利用した780 nmのレーザーをチップ上で実現し、原子時計や量子センサーなどの応用が期待されています。この進展は、量子コンピューティングや高精度計測技術の小型化と普及に大きく寄与するものと考えられます。

<関連情報>

サブHz基本波、サブkHz積分線幅自己注入ロック型780nmハイブリッド集積レーザー Sub-Hz fundamental, sub-kHz integral linewidth self-injection locked 780 nm hybrid integrated laser

Andrei Isichenko,Andrew S. Hunter,Debapam Bose,Nitesh Chauhan,Meiting Song,Kaikai Liu,Mark W. Harrington & Daniel J. Blumenthal
Scientific Robotics  Published:18 November 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-024-76699-x

量子科学用卓上精密レーザーのパワーをチップ・スケールへ(Bringing the power of tabletop precision lasers for quantum science to the chip scale)

Abstract

Today’s precision experiments for timekeeping, inertial sensing, and fundamental science place strict requirements on the spectral distribution of laser frequency noise. Rubidium-based experiments utilize table-top 780 nm laser systems for high-performance clocks, gravity sensors, and quantum gates. Wafer-scale integration of these lasers is critical for enabling systems-on-chip. Despite progress towards chip-scale 780 nm ultra-narrow linewidth lasers, achieving sub-Hz fundamental linewidth and sub-kHz integral linewidth has remained elusive. Here we report a hybrid integrated 780 nm self-injection locked laser with 0.74 Hz fundamental and 864 Hz integral linewidths and thermorefractive-noise-limited 100 Hz2/Hz at 10 kHz. These linewidths are over an order of magnitude lower than previous photonic-integrated 780 nm implementations. The laser consists of a Fabry-Pérot diode edge-coupled to an on-chip splitter and a tunable 90 million Q resonator realized in the CMOS foundry-compatible silicon nitride platform. We achieve 2 mW output power, 36 dB side mode suppression ratio, and a 2.5 GHz mode-hop-free tuning range. To demonstrate the potential for quantum atomic applications, we analyze the laser noise influence on sensitivity limits for atomic clocks, quantum gates, and atom interferometer gravimeters. This technology can be translated to other atomic wavelengths, enabling compact, ultra-low noise lasers for quantum sensing, computing, and metrology.

0403電子応用
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