集束した光が量子センシングの実用化を後押し(Tight light helps quantum sensing get ready for the field)

2026-09-10 サンディア国立研究所(SNL)

サンディア国立研究所は、原子干渉計を利用した小型・低消費電力の量子慣性センサーを実用環境へ展開するための技術を開発した。研究チームは、直径420ナノメートルの光ナノファイバーにレーザー光を通して生じる近接場でセシウム原子を捕捉・誘導し、わずか5mWの光パワーで原子を制御することに成功した。さらに150nW程度の光でも原子干渉計に相当する測定を実証した。従来方式の約6分の1~4分の1の電力で動作できるため、フォトニック集積回路上に搭載するチップスケール量子センサーへの道を開く。加えて、レーザー発熱と原子の効率的な導入を両立させるシリコン固定型の膜導波路を設計し、耐熱性を高めた。将来的には、GPSが妨害・利用不能な状況でも高精度な慣性計測によって航空機や車両の位置・姿勢を維持する航法システムなどへの応用が期待される。

集束した光が量子センシングの実用化を後押し(Tight light helps quantum sensing get ready for the field)
At Sandia National Laboratories, standard optical fiber is simultaneously heated over a flame and stretched by two motorized stages to produce an optical nanofiber.

<関連情報>

オンチップ量子慣性センシングに向けた膜導波路フォトニック集積回路プラットフォームのベンチマーク評価のための光ナノファイバー試験台
Optical nanofiber testbeds for benchmarking membrane-waveguide photonic integrated circuit platforms toward on-chip quantum inertial sensing

Adrian Orozco;William Kindel;Nicholas Karl;Yuan-Yu Jau;Michael Gehl;Grant Biedermann;Jongmin Lee
AVS Quantum Science  Published:July 16 2026
DOI:https://doi.org/10.1116/5.0309355

Recent advances in cold atom interferometry with optical and magnetic atom guides have set the stage for quantum inertial sensors capable of operating in dynamic environments. In this work, we present three key innovations—evanescent-field (EF) atom guides, optical nanofiber testbeds, and membrane-waveguide photonic integrated circuit (PIC) platforms—to advance EF-guided atom interferometry. First, we demonstrate EF atom guides on optical nanofiber testbeds, which serve as performance benchmarks for our membrane-waveguide PIC platforms. Second, we achieve low-power (⁠ 5 mW) guiding of freely moving, laser-cooled 133Cs atoms in two-color, traveling-wave EF optical dipole traps at the novel, heat-efficient magic wavelengths of 793 and 937 nm (i.e., “793/937-nm EF atom guides”). Concurrently, we design and fabricate membrane-waveguide PIC platforms for these EF atom guides; in our prior work, we showed that these structures safely accommodate 4–6 times the required optical trap power under vacuum and enable dense cold atom generation via magneto-optical trapping in the vicinity of the optical wavguide for efficient loading. Third, we verify preserved atomic coherence via microwave fields and EF-coupled Doppler-free Raman beams; to our knowledge, this is the first report of coherence fringes driven by co-propagating EF-coupled Raman beams with only 150 nW of total optical power. By providing a direct comparison between optical nanofiber testbeds and membrane-waveguide PIC platforms, our results lay critical groundwork for the on-chip realization of EF-guided atom interferometry and the development of fully integrated, compact, lightweight, and low-power quantum accelerometers and gyroscopes.

0403電子応用
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