科学家在氮化硅芯片上开发出超稳定、低噪声激光器，为量子传感开辟新前景。

试想一下，口袋里装着一个设备，能够精确测量海平面上升，探测数百公里外的地震，甚至协助搜寻难以捉摸的暗物质。

几十年来，如此高的精度只能在高度受控的物理实验室内实现。那里的冷原子实验占据整个房间，布满了光学平台、激光器机架和精密仪器。

然而，如今加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员正在寻找将这些装置缩小至手掌大小芯片的方法。他们的成果可能会彻底改变我们探索量子世界的方式，并影响从导航、气候监测到计时和量子计算等诸多技术领域。

"你可以以百米级的精度测量海平面上升、海冰变化甚至地震。此外，在太空中进行精确的时间测量，将为引力实验和搜寻暗物质等新粒子开辟新途径。"该项目首席研究员、加州大学圣塔芭芭拉分校教授丹尼尔·布卢门撒尔表示。

制造微型量子芯片确实困难重重

挑战始终在于冷原子实验的高度复杂性。原子必须被囚禁、冷却至接近绝对零度，并用精度极高的激光进行探测。

直到最近，这还需要庞大、无振动的实验室装置，根本无法携带到野外或太空。但布卢门撒尔和他的团队花了十多年时间探索一种可能性 —— 如果光学平台的所有功能都能微型化并直接构建在芯片上呢？

他们的研究始于国防项目。美国国防高级研究计划局希望缩小原子钟的体积，原子钟依赖于铯或铷等原子的稳定振荡。

研究人员致力于光束传输系统，即用于囚禁和冷却这些原子的激光器系统。但他们并不想止步于此。他们设想，能否将整个光学平台（激光器、反射镜、调制器、稳定器和移频器）都缩小并集成到一块芯片上？

这绝非易事。在传统的光学平台上，每个组件都经过精心对准和稳定。在芯片上复制这种精度不仅需要先进的工程技术，还需要新的材料和设计。

将庞大装置转变为微型系统

为实现这一目标，研究人员依托于集成光子技术，该技术已应用于电信和医疗设备。光子集成电路引导和操纵光的方式，类似于电子芯片处理电流。

经过多年努力，到2023年，研究人员实现了一个里程碑。他们利用其光子集成三维磁光阱传输的光束，成功制备了冷铷原子。该系统使用氮化硅波导将激光束导入充满铷蒸汽的真空室。

借助磁线圈和精心对准的光束，他们成功囚禁了超过一百万个原子，并将其冷却至250微开尔文（约-460°F）。"原子越冷、数量越多，精度就越高，灵敏度也越好。因为你是将测量值平均到更多传感器上。"布卢门撒尔解释道。

随后在2024年，他们攻克了另一个关键难题 —— 激光器噪声。许多商用激光器线宽较宽且不稳定，使其不适用于量子精密测量。研究人员在他们的氮化硅芯片上集成开发了一种超低线宽、自注入锁定的780纳米激光器。

他们从普通的法布里-珀罗二极管激光器入手，利用高品质谐振器和波导消除了噪声，产生了稳定的单频光，非常适合量子传感和计算。这种芯片激光器不仅可与传统的实验室系统相媲美，而且在某些方面性能更优 —— 具有更快的反馈、更低的噪声和更高的稳定性。

研究尚未止步

随着激光器、光束传输和光学控制功能如今都能在芯片上实现，研究人员已接近在微型形态下复制整个光学平台。他们甚至将这种方法推广到了囚禁离子上（量子计算机的另一种平台，仅需少量原子）。

在与马萨诸塞大学阿默斯特分校的合作中，他们最近首次使用集成激光器创建了基于离子的量子比特。这是迈向紧凑型量子处理器的一大步。

这项研究意义深远。例如，便携式冷原子系统可以在没有GPS的情况下提供导航，探测地下结构，以前所未有的细节监测气候变化，甚至使太空任务能够测试引力和搜寻新粒子。

此外，基于这些微型化系统构建的量子计算机可以以更低的成本更快地扩展规模。

然而，尽管囚禁离子已被成功集成到芯片上，但那些需要大量原子的其他组件（如真空室、囚禁硬件和原子源）仍然难以微型化。该团队正在积极攻克这一难题。

在未来几年，他们希望将所有这些元件整合到一个手掌大小的设备中，实现以往需要整个实验室才能完成的功能。