一、量子系統(tǒng)與激光器
Quantum System and Laser
量子科技在提升運(yùn)算處理能力、加強(qiáng)信息安全保護(hù)能力、提高傳感測(cè)量精度等方面，具備廣闊技術(shù)潛力。當(dāng)前量子科技產(chǎn)業(yè)包括量子計(jì)算、量子通信、量子測(cè)量三大方向，而激光器通過操控量子系統(tǒng)中的粒子（如離子和原子等），從而在量子領(lǐng)域中扮演了非常關(guān)鍵的角色。
其中，激光器的噪聲對(duì)量子系統(tǒng)有著非常直接的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1） 影響量子比特的保真度
量子比特（qubit）的保真度指的是量子比特在操作和測(cè)量過程中的準(zhǔn)確性。高保真度意味著量子比特能夠準(zhǔn)確地保持其量子狀態(tài)。
影響：激光噪聲會(huì)導(dǎo)致量子比特狀態(tài)的變化或不穩(wěn)定，從而降低保真度。量子計(jì)算和量子信息處理依賴于高保真度的量子比特，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
2） 干擾精確控制
量子系統(tǒng)中常需要對(duì)粒子（如離子或冷原子）進(jìn)行精確的激發(fā)和操控，以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的操作。
影響：激光噪聲會(huì)導(dǎo)致激光頻率的波動(dòng)，從而影響對(duì)粒子的精確控制。這會(huì)使得量子操作的精確性下降，影響計(jì)算和操作的效果。
3） 影響量子測(cè)量
量子測(cè)量是讀取量子系統(tǒng)狀態(tài)的過程，通常需要高精度的探測(cè)。
影響：激光噪聲會(huì)影響測(cè)量過程中光子的信號(hào)，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。這會(huì)影響到量子狀態(tài)的讀取精度，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。
4） 影響量子通信的安全性
量子通信包括量子密鑰分發(fā)（QKD）等應(yīng)用，需要通過量子態(tài)的傳輸確保信息的安全。
影響：激光噪聲會(huì)導(dǎo)致光子產(chǎn)生的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測(cè)性，從而增加誤碼率，降低通信的安全性和有效性。
5） 影響量子冷卻和陷阱
激光冷卻技術(shù)用于將粒子冷卻至接近絕對(duì)零度，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；光陷阱用于將粒子固定在特定位置。
影響：激光噪聲會(huì)干擾冷卻過程，導(dǎo)致粒子動(dòng)能增加，影響冷卻效果。同時(shí)，噪聲還可能導(dǎo)致粒子在光陷阱中的不穩(wěn)定，影響實(shí)驗(yàn)的精度和效果。
量子技術(shù)的精確控制和測(cè)量要求激光器具有極低的噪聲水平，必須通過精確的技術(shù)和方法來加以控制，以確保量子計(jì)算、量子通信等應(yīng)用的高效性和可靠性，關(guān)于激光器噪聲控制方法，主要有以下幾種方法：
- 噪聲抑制技術(shù)：通過改進(jìn)激光器設(shè)計(jì)和使用噪聲抑制技術(shù)來減少激光噪聲。
- 激光頻率鎖定：使用高精度的頻率鎖定技術(shù)來穩(wěn)定激光的輸出頻率。
- 補(bǔ)償和校正：在實(shí)驗(yàn)中采用補(bǔ)償和校正技術(shù)來減小噪聲對(duì)量子操作的影響。
二、OEwaves技術(shù)背景
Technical Background of OEwaves
OEwaves 成立于 2000 年，作為一個(gè)從美國NASA旗下Jet Propulsion Laboratory 和加州理工學(xué)院的研究中衍生出的公司。公司致力于將先進(jìn)的激光技術(shù)商業(yè)化，并在多個(gè)高科技領(lǐng)域中應(yīng)用這些技術(shù)。OEwaves 的技術(shù)背景和發(fā)展歷史深深植根于 JPL 和 Caltech 的激光頻率穩(wěn)定、光學(xué)傳感器等前沿研究，OEwaves 公司獲得了多達(dá) 126 項(xiàng)專利，微波光子領(lǐng)域的專利超過 30 項(xiàng)，并且公司還獲得了無數(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)，包括兩個(gè)著名的SPIE Prism 獎(jiǎng)、lEEESawyer獎(jiǎng) 及Patrick Soon-Shiong 創(chuàng)新獎(jiǎng)。公司在電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)半導(dǎo)體制造專利權(quán)排名中名列前 20 名。這為公司在激光和光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的成功奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，近幾年公司專注于量子計(jì)算領(lǐng)域。公司的主打產(chǎn)品為超窄線寬激光器、激光器線寬及RIN噪聲測(cè)量設(shè)備等。
為什么量子系統(tǒng)需要超窄線寬激光器？
拿鐿（Yb?）離子系統(tǒng)舉例，時(shí)鐘躍遷的435納米波長(zhǎng)的激光器并不容易獲取，通常需要使用871納米的激光器，然后通過倍頻技術(shù)達(dá)到所需波長(zhǎng)。在這個(gè)系統(tǒng)中就更需要低噪聲激光器，以確保與原子的高效相互作用。那么為什么需要這樣做呢？因?yàn)殓娷S遷是一個(gè)非常窄的躍遷，需要使用低噪聲的激光器，以便高效地與這個(gè)躍遷相互作用并激發(fā)它。該激光器既用于激發(fā)，也用于測(cè)量。
OEwaves超窄線寬激光器屬于半導(dǎo)體激光器，體積小，可和iPhone相比，堅(jiān)固耐用，且功耗非常低，該激光器基于回音壁光學(xué)微腔技術(shù)（WGM）。
該回音壁光學(xué)微腔技術(shù)享譽(yù)業(yè)界，OEwaves于2010年獲得該項(xiàng)技術(shù)專利，它采用了高質(zhì)量的光學(xué)諧振腔，通過諧振光學(xué)反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光二極管自注入鎖定能力的有效利用。該諧振腔尺寸非常小，僅有100μm至幾毫米。OEwaves激光器擁有極高的Q-factor系數(shù)，可達(dá)1012，晶體可穿透的波段非常寬，從近紫外到中紅外370-4500nm的波段。
光通過腔體，形成一定的腔體模態(tài)，然后使用“漸逝波耦合”技術(shù)將光耦合進(jìn)去。然后使用一個(gè)小型的毫米級(jí)棱鏡，讓棱鏡的場(chǎng)與腔體的漸逝場(chǎng)相互作用，從而將光耦合到腔體中。之后，一些在腔體中循環(huán)的光由于瑞利散射被散射回激光器，通過一個(gè)叫做“自注入鎖定”的過程，激光的發(fā)射被鎖定到腔體的模態(tài)上，該技術(shù)非常穩(wěn)健，是OEwaves的一項(xiàng)專利技術(shù)，該系統(tǒng)其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它不需要任何電子設(shè)備，是一個(gè)完全光學(xué)的系統(tǒng)。當(dāng)這種相互作用發(fā)生時(shí)，經(jīng)過腔體濾波的光會(huì)被反饋到激光器中，導(dǎo)致激光器的模態(tài)坍塌，從而使激光器的線寬變得非常窄。
回音壁模式諧振腔有多種多樣的形式，OEwaves使用了硅微球和晶體共振腔，而晶體共振腔是OEwaves最常用的材料。此外，還包括楔形共振腔、微環(huán)共振腔，最近還使用過用于光子集成電路的各種新材料。然而，晶體腔體的品質(zhì)因數(shù)是所有腔體中最大的，可達(dá)1010到1011，這與其它系統(tǒng)相比非常高。擁有如此高的品質(zhì)因數(shù)意味著腔體模態(tài)帶寬非常窄，而這種窄帶寬提供了非常好的濾波能力。
三、 不同波長(zhǎng)激光器示例
Lasers Example of Different Wavelength
在量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子傳感器應(yīng)用中，常常會(huì)用到像銣、鈣離子、鍶、鍶離子、鐿、鐿離子以及鋇系統(tǒng)，這些原子和離子在支持量子技術(shù)方面至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兲峁┝碎L(zhǎng)壽命的量子態(tài)：
- 量子計(jì)算：用于量子比特（Qubit）的狀態(tài)和量子門操作。
- 量子通信：生成糾纏光子對(duì)，支持量子傳輸。
- 量子網(wǎng)絡(luò)：用于量子算法和量子加密。
- 量子傳感器：提供壓縮態(tài)（Squeezed States）、單光子探測(cè)和高精度計(jì)量。
而這些不同原子、離子需要不同波長(zhǎng)的激光器進(jìn)行操控、讀取、冷卻等，OEwaves都可提供對(duì)應(yīng)穩(wěn)定可靠的激光器產(chǎn)品。
1550nm激光器
上面兩個(gè)圖為通過自注入鎖定與腔體耦合的1550nm半導(dǎo)體激光器。第二張圖Y軸表示SSB相位噪聲，X軸是傅里葉頻率，當(dāng)使用分布反饋的法布里-珀羅腔體激發(fā)半導(dǎo)體激光器并測(cè)量其噪聲時(shí)，會(huì)得到圖中的紅色曲線。當(dāng)光其與諧振腔耦合后，噪聲被抑制了60 dB，相當(dāng)于降低了100萬倍。
該方案的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以使用任何波長(zhǎng)的激光器，只要它的波長(zhǎng)落在微腔的透明窗口內(nèi)，就可以利用這種方法來降低噪聲。該微腔透明窗口通常從紫外波段覆蓋到紅外波段，不同公司生產(chǎn)的激光器波長(zhǎng)不同，但都可通過OEwaves的微腔，因此可利用這種腔體降低任何波長(zhǎng)激光器的噪聲。
871nm激光器
上圖為OEwaves的一個(gè)DARPA項(xiàng)目，OEwaves為該項(xiàng)目鐿離子鐘系統(tǒng)研發(fā)了一款低噪聲激光器，圖中左側(cè)顯示的是相位噪聲，右側(cè)是頻率噪聲，通過降低噪聲，使激光器實(shí)現(xiàn)鎖定，其穩(wěn)定性達(dá)到 10-14 量級(jí)，且這個(gè)穩(wěn)定性是在一秒鐘的時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)的。激光器的噪聲至關(guān)重要，可保持激光器的穩(wěn)定性，使得激光器更好的與系統(tǒng)相互作用。1MHz的頻率偏移下，噪聲水平可降低至低于1Hz的范圍。因此，這是一個(gè)subHz激光器。該激光器是半導(dǎo)體激光器，尺寸緊湊，輸出功率為 120 mW，非常適合該時(shí)鐘系統(tǒng)。
795nm激光器調(diào)制
OEwaves激光器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以將PZT（壓電陶瓷致動(dòng)器）層壓到諧振器上。當(dāng)對(duì)PZT施加電壓時(shí)，它會(huì)對(duì)諧振器施加壓力，而這個(gè)壓力會(huì)改變諧振器的折射率，從而引起激光模式的頻率偏移。通過這種方式對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，這是將激光鎖定到原子躍遷或光學(xué)腔時(shí)所需要的。
激光鎖定需要非常低的相對(duì)幅度調(diào)制（RAM），這個(gè)參數(shù)與調(diào)制器中的非線性效應(yīng)有關(guān)。這種方法使得系統(tǒng)表現(xiàn)得非常線性，能夠獲得比激光本身噪聲低80dB的RAM水平，這個(gè)-80dB的改善非常重要，因?yàn)樵谄渌到y(tǒng)中，如果要實(shí)現(xiàn)類似的穩(wěn)定性，需要使用非常復(fù)雜的電路。而OEwaves的方法很簡(jiǎn)單，只需在PZT上施加電壓即可。
2μm 激光器調(diào)制
4.6μm 激光器調(diào)制
446nm 激光器調(diào)制
370nm激光器
如上為OEwaves公司可提供的激光器的一些案例，波長(zhǎng)范圍覆蓋40nm-4.6μm，同時(shí)也可以根據(jù)客戶的具體系統(tǒng)和要求進(jìn)行定制。
四、激光器噪聲測(cè)量系統(tǒng)
Lasers Noise Measurement System
美國OEwaves公司不但可以提供多種波長(zhǎng)的激光器，同時(shí)也可提供專門用于測(cè)量這些激光器的相位噪聲、頻率噪聲和RIN噪聲，如下為市面上不同應(yīng)用及系統(tǒng)所用到測(cè)量設(shè)備。這對(duì)于量子計(jì)算這樣復(fù)雜的系統(tǒng)來說，非常重要，因?yàn)榇嬖诘脑肼晻?huì)影響系統(tǒng)性能，但有時(shí)候并不知道噪聲的來源，而OEwaves的測(cè)量系統(tǒng)可以確定噪聲是否來自激光。
五、卓越光子
About Beyond Light
卓越光子作為美國OEwaves公司在中國獨(dú)家授權(quán)的代理商，負(fù)責(zé)OEwaves公司超窄線寬激光器、線寬測(cè)量?jī)x及RIN噪聲分析儀等產(chǎn)品在中國的銷售、技術(shù)支持、售后服務(wù)、市場(chǎng)拓展和渠道建設(shè)等工作，如您對(duì)產(chǎn)品有什么疑問的話，我們期待與您更深入的探討！
注：如上內(nèi)容來源于美國OEwaves公司President&CEO Lute Maleki在日本Q2B量子會(huì)議上的報(bào)告。
日本的Q2B會(huì)議是一個(gè)專注于實(shí)用量子計(jì)算的全球性會(huì)議，主要由QC Ware主辦。該會(huì)議匯集了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府的專家，共同討論量子技術(shù)的最新進(jìn)展。會(huì)議涵蓋量子計(jì)算、量子通信、量子傳感器和量子網(wǎng)絡(luò)等廣泛領(lǐng)域，并且展示了量子技術(shù)在航空、金融、醫(yī)療等行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。
