Soğuk atom deneyleri, evreni araştırmanın ve ölçmenin ve kuantum dünyasını keşfetmenin en güçlü ve kesin yolları arasındadır. Atomları yakalayarak ve kuantum özelliklerinden yararlanarak, bilim adamları yeni madde durumlarını keşfedebilir, en zayıf sinyalleri bile algılar, zaman ve yerçekiminin ultra kesin ölçümlerini alabilir ve kuantum algılama ve hesaplama deneyleri yapabilirler.
Bununla birlikte, bu deneyler olduğu gibi, şu anda hala laboratuvarın yüksek kontrollü ortamıyla sınırlıdır, çevreyi izole etmek için tasarlanmış optik tablolar ve ekipman rafları üzerinde kurulur ve kullanıcılara çeşitli lazerleri ve optik bileşenleri – lensleri, modülatörleri, frekansları ve diğer bileşenleri üreten ve kanserler için gerekli olan diğer bileşenleri tam olarak hizalamak için stabiliteyi sağlar.
UC Santa Barbara Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Profesörü Daniel Blumenthal’a göre, bu deneyleri laboratuvardan çıkararak ve güçlerini dış dünyadaki fenomenleri ölçmek ve izlemek için güçlerini kullanıyor.
“Deniz seviyesi yükselişini, deniz buzundaki değişiklikleri, hatta depremleri yüz kilometrelik bir hassasiyetle ölçebilirsiniz.” Dedi. “Kelimenin tam anlamıyla, dünyada meydana gelen olaylar, gezegenin çevresindeki yerçekimi alanlarından görebilirsiniz. Ayrıca, uzayda zamanın kesin ölçümleri, yerçekimi deneylerinin yeni yollarını açacak ve karanlık madde gibi yeni parçacıklar arayacak.”
Küçük bileşenler, büyük performans
Bu nedenle, tüm on yıldan fazla bir süredir, Blumenthal ve işbirlikçileri, mevcut soğuk atomlu kuantum deneylerinin çeşitli işlevlerini daha taşınabilir, dağıtılabilir bir forma dönüştürmek için çalışıyorlar ve tüm masa üstü sistemlerini avucunuzda oturabilen cihazlara entegre ediyorlar. ABD Savunma Gelişmiş Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) için bir dizi çip ölçekli proje ile başladı.
“Küçük bir form faktörü atom saati yapmak istediler,” diye hatırladı Blumenthal belirli bir projeyi hatırladı ve ışın teslimatından sorumluyduk. ” “Işın”, atomik kaynaklarından zaman tutmanın gerçekleştirilebileceği soğuk bir “atom pekmezi” ile sınırlandırılması gereken zaman işleme atomlarını (çok sezyum veya rubidyum) tuzağa düşürmek, soğutmak ve incelemek için kullanılan lazerleri ifade eder.
Bu çaba araştırmacıların sormasına neden oldu: Neden optik tablonun geri kalanını minyatürleştirmiyorsunuz? Işın iletimine ek olarak, ışıktan (lazerler), stabilizasyon boşluklarından, optik modülatörlerden, frekans kaydırma, frekans programlama, geçit ve yoğunluk kontrolünden sorumlu bileşenler vardır – tüm donanım, optik sinyali noktadan noktaya aktarıldığı için manipüle etmek ve değiştirmeyi amaçlamaktadır.
Bu minyatürleştirme basit bir görev değildir. Bir optik tablonun fonksiyonlarını çoğaltmanın yanı sıra, bileşenler, geleneksel optik tablolarda yapıldığı gibi minyatür yongalar üzerinde atomik durumların soğutulması, yakalanması, hazırlanması ve ölçülmesi için gerekli performansla bunu yapmak zorundadır. Bu küçük bileşenler daha sonra kullanıcılara dış dünyada aynı istikrarı sağlamalıdır, hepsi de konuşlandırılabilecekleri aşırı ortamlara dayanabilen dayanıklı bir kurulumda.
Blumenthal, “Aynı istikrarı ve hassasiyeti yaratmak istiyoruz, ancak güvenilirlik ve çok sayıda kubit için daha fazla ölçeklendirme kolaylığı ekleyerek.” Yetkili, daha az güç gerektireceğini ve daha geniş erişilebilirlik ve ticarileştirme için daha az maliyet gerektireceğini söyledi.
Neyse ki, entegre fotonikteki ilerlemeler, mühendislerin ve bilim adamlarının çip ölçekli optik donanım geliştirmelerini giderek daha fazla mümkün kılmaktadır; Telekomünikasyon ve biyomıp gibi diğer alemlerde, fotonik entegre devreler zaten büyük oyunculardır. Dalgaya binmenin zamanı olgunlaştı.
Blumenthal ve ekibi için ilk büyük kilometre taşı, fotonik entegre 3D manyeto-optik tuzak (PICMOT) aracılığıyla ilk kez entegre fotoniklerle verilen kirişlerle soğuk rubidyum atomları oluşturabildiklerini açıkladıklarında 2023’te geldi. Düşük kayıplı bir silikon nitrür entegrasyon platformuna gömülü olan ışın iletimi, soğutma ve lazerleri yeniden yerleştiren üç kirişe bağlanır ve daha sonra bir vakumda rubidyum atomlarına arayüz eder.
Üç kiriş atom hücresini geçer ve manyetik bobinlerle birlikte rubidyum atomlarını soğutmak ve tuzağa düşürmek için kullanılan optik kavşak bölgesini oluşturmak için aynalarla yansıtılır. Soğutulmuş atomlar oluştuktan sonra, soğuk atomların özelliklerinden yararlanmak ve daha fazla kuantum deneyleri yapmak için diğer lazerler kullanılabilir.
Blumenthal, “Sıcak atomlar – termal atomlar – çok fazla hareket ediyor.” “Şimdi atomları soğutup bu geçişlere bir lazer takıyorsanız, daha hassas bir sensör ve saat yapabilirsiniz.”
Araştırmacıların kavram kanıtı, küçük pikmotlarının vakum hücresinin içindeki rubidyum buharından bir milyondan fazla atomu yakalayabildiğini ve 250 Microkelvin’e kadar soğutabildiğini gösterdi (bu yaklaşık -460 ° F veya -273 ° C). Blumenthal’a göre, daha fazla sıkışıp kalır ve soğutulursa, sonuçta ortaya çıkan ölçüm bu nötr atom deneyleri için o kadar hassas olur.
Blumenthal, “Daha soğuk atomlar artı daha fazla atom daha iyi hassasiyet ve daha fazla hassasiyete eşit.” Dedi. “Bunun nedeni, daha fazla sensör üzerinden ölçümün ortalamasını aldığınız için.”
2024’te Blumenthal’ın laboratuvarı daha fazla bir başarı bildirdi: ultra düşük bir çizgi genişliği, kendi kendine enjeksiyon kilitli 780nm lazerin bir silikon nitrür çipine entegrasyonu. Işık kaynağı olarak ortak, ticari olarak temin edilebilen fabry-pérot lazer diyotu kullanarak, ekip “temizleyebilir” ve lazeri, ultra yüksek kaliteli faktör rezonatörleri ve en düşük kayıp dalga kılavuzları da dahil olmak üzere geliştirdikleri fotonik bileşenlerle istenen frekansa ayarlayabildi.
Mağazadan satın alınan lazerle birlikte gelen spektral “gürültüyü” temizlerken Blumenthal, ışığı kuantum uygulamaları için kullanmanın mümkün olduğunu söyledi. Dar çizgi genişliği, yayılan ışığın tek bir frekansta olduğu ve iç ve dış gürültü ve titreşimin üstesinden gelebilecek kadar kararlı olduğu anlamına geldiğini açıkladı.
“Gürültü ve gürültülü büyük bir çizgi genişliği, sensörün hassasiyetini veya kuantum bilgisayarın hızını veya atomik saatin stabilitesini sınırlayacaktır.” Dedi. “Hassas iş yapmak istediğinizde dar bir çizgi genişliği, düşük gürültülü lazer devreye girer. Soğutma gibi diğer işlevler bu hassas lazeri gerektirmez, ancak kuantum işlevleri vardır.”
Blumenthal laboratuvar üyesi Andrei Isichenko’ya göre, aslında, ortaya çıkan fotonik entegre lazer geleneksel kurulumlardaki lazerlerle karşılaştırılabilir. “Bazı açılardan, tam çip ölçekli entegrasyon nedeniyle performans geleneksel lazerlere kıyasla geliştirildi” dedi. Kompakt form faktörü, daha hızlı geri bildirim sağlar, bu da gürültüyü bastırır ve daha sağlam bir sinyale yol açar. Fiber optik ayrıca, serbest alanlara göre daha az rastgele dalgalanma biriktirerek sinyalin çip üzerindeki stabilitesine katkıda bulunur.
Hepsini bir araya getirmek
Işık minyatürleştirilmiş ışık üretmek, taşımak ve kontrol etmek için optik tablo altyapısının çoğu ile, lazerler ve referans boşluğu da dahil olmak üzere tüm bu küçük 3D MOT bileşenlerinin tek bir çip üzerine entegre edilmesi sadece bir zaman meselesidir. Dergi için davet edilen bir makalede OpticaCEİD/news/2025-03-cold-te… Oors-Accessible.html, araştırmacılar deneyimlerinden yararlanırlar ve ilerlemeyi rapor eder ve entegrasyona yönelik potansiyel yolları tartışırlar.
“Nötr atomlar için fotonik motor için oradayız,” dedi Blumenthal, lazerlere, optik bileşenlere ve ışık kontrolü ve iletimine atıfta bulundu. Sıkışmış iyonlara dayanan sistemler için – eşit olmayan sayıda proton ve elektrona sahip atomlar – “o motora gidiyorlar”.
Vakum hücresini ve soğutulacak ve tuzağa düşecek atomları içeren “Fizik Paketi” na gelince, araştırmacılar hala çip üzerinde ideal koşulların nasıl uygulanacağını deniyorlar, ancak nötr atomları yakalama söz konusu olduğunda daha iyi olduğunu açıklayan Blumenthal, yaklaşıyorlar. Ancak, bu uygulamalar için atomları kullanmanın, sıkışmış iyonları kullanan, tipik olarak iki boyutlu bir kurulumda sadece birkaç atom gerektiren başka yollar da vardır. Bu, Blumenthal Grubu için yoğun ilgi ve çaba olan başka bir alandır.
“Tuzağa düşmüş iyon fizik paketi için tuzak bu yıl çip üzerinde olacak” dedi. “Biz hala nötr atomları bir çip üzerinde tutan fizik paketini taşımanın bir yoluyuz ve UMass Amherst ile işbirliği yapıyoruz.” Aslında, Blumenthal ve UMass işbirlikçisi Robert Niffenegger, ilk kez hapsolmuş iyonlarla kuantum kubitleri oluşturmak için entegre lazerler kullandı.
Blumenthal, “Ultra düşük kayıplı silikon nitrür platformunda entegre bir lazerle sıkışmış bir iyon kubbitinin oluşturulması, büyük bir kilometre taşıdır.” Dedi.
