Merevolusi Teknologi Quantum: Laser Seukuran Telapak Tangan Mendobrak Batasan Lab

Peneliti UC Santa Barbara mengembangkan laser kompak dan berbiaya rendah yang sesuai dengan kinerja sistem skala laboratorium. Menggunakan atom rubidium dan integrasi chip tingkat lanjut, ini memungkinkan aplikasi seperti komputasi kuantumketepatan waktu, dan penginderaan lingkungan, termasuk pemetaan gravitasi berbasis satelit.

Untuk eksperimen yang memerlukan pengukuran dan kontrol atom yang sangat presisi—seperti jam atom dua foton, sensor interferometer atom dingin, dan gerbang kuantum—laser sangat diperlukan. Kunci efektivitasnya terletak pada kemurnian spektralnya, yang berarti mereka memancarkan cahaya pada satu warna atau frekuensi. Saat ini, mencapai cahaya yang sangat rendah dan stabil yang diperlukan untuk aplikasi ini bergantung pada sistem laser meja yang besar dan mahal yang dirancang untuk menghasilkan dan mengelola foton dalam rentang spektral yang sempit.

Namun bagaimana jika aplikasi atom ini bisa lepas dari batasan laboratorium dan benchtop? Ini adalah visi yang mendorong penelitian di laboratorium profesor teknik Daniel Blumenthal di UC Santa Barbara, tempat timnya bekerja untuk mereplikasi kinerja laser presisi tinggi ini pada perangkat genggam yang ringan.

“Laser yang lebih kecil ini akan memungkinkan solusi laser terukur untuk sistem kuantum aktual, serta laser untuk sensor kuantum portabel, yang dapat diterapkan di lapangan, dan berbasis ruang angkasa,” kata Andrei Isichenko, seorang mahasiswa pascasarjana peneliti di laboratorium Blumenthal. “Ini akan berdampak pada ruang teknologi seperti komputasi kuantum dengan atom netral dan ion yang terperangkap serta dingin atom sensor kuantum seperti jam atom dan gravimeter.”

Dalam sebuah makalah di jurnal Laporan IlmiahBlumenthal, Isichenko dan tim mempresentasikan pengembangan ke arah ini dengan laser self-injection ultra-low-linewidth terkunci 780 nm berskala chip. Perangkat berukuran kira-kira kotak korek api ini, kata para peneliti, dapat bekerja lebih baik daripada laser 780 nm dengan lebar garis sempit saat ini, dengan biaya produksi yang lebih murah, dan ruang untuk menyimpannya.

Mengikat Laser

Atom yang memotivasi pengembangan laser adalah rubidium, sehingga dipilih karena sifatnya yang terkenal sehingga ideal untuk berbagai aplikasi presisi tinggi. Stabilitas transisi optik D2 membuat atom dapat digunakan dengan baik pada jam atom; sensitivitas atom juga menjadikannya pilihan populer untuk sensor dan fisika atom dingin. Dengan melewatkan laser melalui uap atom rubidium sebagai referensi atom, laser inframerah-dekat dapat memperoleh karakteristik transisi atom yang stabil.

“Anda dapat menggunakan garis transisi atom untuk memasang laso pada laser,” kata Blumenthal, penulis senior makalah tersebut. “Dengan kata lain, dengan mengunci laser pada garis transisi atom, laser kurang lebih mengambil karakteristik transisi atom dalam hal stabilitas.”

Namun lampu merah yang indah tidak menghasilkan laser yang presisi. Untuk mendapatkan kualitas cahaya yang diinginkan, “kebisingan” harus dihilangkan. Blumenthal menggambarkan ini sebagai garpu tala versus senar gitar.

“Jika Anda memiliki garpu tala dan mencapai nada C, mungkin nada C tersebut cukup sempurna,” jelasnya. “Tetapi jika Anda memetik huruf C pada gitar, Anda dapat mendengar nada lain di sana.” Demikian pula, laser dapat menggabungkan frekuensi (warna) berbeda yang menghasilkan “nada” tambahan. Untuk menciptakan frekuensi tunggal yang diinginkan – dalam hal ini cahaya merah tua murni – sistem meja menggabungkan komponen tambahan untuk lebih menenangkan sinar laser. Tantangan bagi para peneliti adalah mengintegrasikan semua fungsi dan kinerja tersebut ke dalam sebuah chip.

Tim menggunakan kombinasi dioda laser Fabry-Perot yang tersedia secara komersial, salah satu pandu gelombang dengan kerugian terendah di dunia (dibuat di laboratorium Blumenthal); serta resonator faktor kualitas tertinggi, semuanya dibuat dalam platform silikon nitrida. Dengan melakukan hal ini, mereka mampu menduplikasi kinerja sistem meja yang besar – dan perangkat mereka, menurut pengujian mereka, dapat mengungguli beberapa laser meja serta laser terintegrasi yang dilaporkan sebelumnya sebesar empat kali lipat dalam metrik utama seperti frekuensi kebisingan. dan lebar garis.

Kinerja dan Skalabilitas

“Arti dari nilai linewidth yang rendah adalah kita dapat mencapai laser kompak tanpa mengorbankan kinerja laser,” jelas Isichenko. “Dalam beberapa hal, kinerjanya meningkat dibandingkan laser konvensional karena integrasi skala chip penuh. Linewidth ini membantu kita berinteraksi lebih baik dengan sistem atom, menghilangkan kontribusi kebisingan laser untuk sepenuhnya menyelesaikan sinyal atom sebagai respons terhadap, misalnya, lingkungan yang mereka rasakan.” Linewidth yang rendah — dalam proyek ini merupakan fundamental sub-Hz yang mencapai rekor terendah dan integral sub-KHz — merupakan indikasi stabilitas dan kemampuan teknologi laser untuk mengatasi kebisingan baik dari sumber eksternal maupun internal.

Keuntungan lebih lanjut dari teknologi ini termasuk biayanya — teknologi ini menggunakan dioda seharga $50, dan menggunakan proses fabrikasi yang hemat biaya dan terukur yang dibuat menggunakan proses skala wafer yang kompatibel dengan CMOS yang diambil dari dunia fabrikasi chip elektronik.

Keberhasilan teknologi ini berarti bahwa laser terintegrasi fotonik berperforma tinggi, presisi, dan berbiaya rendah dapat diterapkan dalam berbagai situasi di dalam dan di luar laboratorium, termasuk eksperimen kuantum, ketepatan waktu atom, dan penginderaan cahaya. sinyal yang paling samar, seperti pergeseran percepatan gravitasi di sekitar bumi.

“Anda dapat menempatkannya di satelit untuk membuat peta gravitasi bumi dan sekeliling bumi dengan tingkat presisi tertentu,” kata Blumenthal. “Anda dapat mengukur kenaikan permukaan laut, perubahan es laut, dan gempa bumi dengan merasakan medan gravitasi di sekitar bumi.” Kekompakan, konsumsi daya yang rendah, dan bobot yang ringan merupakan “kesesuaian yang sempurna,” tambahnya, untuk penerapan teknologi di luar angkasa.

Referensi: “Fundamental sub-Hz, injeksi otomatis lebar garis integral sub-kHz mengunci laser terintegrasi hibrid 780 nm” oleh Andrei Isichenko, Andrew S. Hunter, Debapam Bose, Nitesh Chauhan, Meiting Song, Kaikai Liu, Mark W. Harrington, dan Daniel J.Blumenthal, 18 November 2024, Laporan Ilmiah.
DOI: 10.1038/s41598-024-76699-x