Quantum System and Laser

量子科技在提升运算处理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面，具备广阔技术潜力。当前量子科技产业包括量子计算、量子通信、量子测量三大方向，而激光器通过操控量子系统中的粒子（如离子和原子等），从而在量子领域中扮演了非常关键的角色。

其中，激光器的噪声对量子系统有着非常直接的影响，主要体现在以下几个方面：

1） 影响量子比特的保真度

量子比特（qubit）的保真度指的是量子比特在操作和测量过程中的准确性。高保真度意味着量子比特能够准确地保持其量子状态。

影响：激光噪声会导致量子比特状态的变化或不稳定，从而降低保真度。量子计算和量子信息处理依赖于高保真度的量子比特，以确保计算结果的准确性和可靠性。

2） 干扰精确控制

量子系统中常需要对粒子（如离子或冷原子）进行精确的激发和操控，以实现量子计算的操作。

影响：激光噪声会导致激光频率的波动，从而影响对粒子的精确控制。这会使得量子操作的精确性下降，影响计算和操作的效果。

3） 影响量子测量

量子测量是读取量子系统状态的过程，通常需要高精度的探测。

影响：激光噪声会影响测量过程中光子的信号，从而导致测量结果的不准确。这会影响到量子状态的读取精度，进而影响实验结果的可靠性。

4） 影响量子通信的安全性

量子通信包括量子密钥分发（QKD）等应用，需要通过量子态的传输确保信息的安全。

影响：激光噪声会导致光子产生的不稳定性和不可预测性，从而增加误码率，降低通信的安全性和有效性。

5） 影响量子冷却和陷阱

激光冷却技术用于将粒子冷却至接近绝对零度，以提高系统的稳定性；光陷阱用于将粒子固定在特定位置。

影响：激光噪声会干扰冷却过程，导致粒子动能增加，影响冷却效果。同时，噪声还可能导致粒子在光陷阱中的不稳定，影响实验的精度和效果。

量子技术的精确控制和测量要求激光器具有极低的噪声水平，必须通过精确的技术和方法来加以控制，以确保量子计算、量子通信等应用的高效性和可靠性，关于激光器噪声控制方法，主要有以下几种方法：

- 噪声抑制技术：通过改进激光器设计和使用噪声抑制技术来减少激光噪声。

- 激光频率锁定：使用高精度的频率锁定技术来稳定激光的输出频率。

- 补偿和校正：在实验中采用补偿和校正技术来减小噪声对量子操作的影响。

Technical Background of OEwaves

OEwaves 成立于 2000 年，作为一个从美国NASA旗下Jet Propulsion Laboratory 和加州理工学院的研究中衍生出的公司。公司致力于将先进的激光技术商业化，并在多个高科技领域中应用这些技术。OEwaves 的技术背景和发展历史深深植根于 JPL 和 Caltech 的激光频率稳定、光学传感器等前沿研究，OEwaves 公司获得了多达 126 项专利，微波光子领域的专利超过 30 项，并且公司还获得了无数奖项，包括两个著名的SPIE Prism 奖、lEEESawyer奖 及Patrick Soon-Shiong 创新奖。公司在电气和电子工程师协会(IEEE)半导体制造专利权排名中名列前 20 名。这为公司在激光和光学技术领域的成功奠定了坚实的基础，近几年公司专注于量子计算领域。公司的主打产品为超窄线宽激光器、激光器线宽及RIN噪声测量设备等。

为什么量子系统需要超窄线宽激光器？

拿镱（Yb⁺）离子系统举例，时钟跃迁的435纳米波长的激光器并不容易获取，通常需要使用871纳米的激光器，然后通过倍频技术达到所需波长。在这个系统中就更需要低噪声激光器，以确保与原子的高效相互作用。那么为什么需要这样做呢？因为钟跃迁是一个非常窄的跃迁，需要使用低噪声的激光器，以便高效地与这个跃迁相互作用并激发它。该激光器既用于激发，也用于测量。

OEwaves超窄线宽激光器属于半导体激光器，体积小，可和iPhone相比，坚固耐用，且功耗非常低，该激光器基于回音壁光学微腔技术（WGM）。

该回音壁光学微腔技术享誉业界，OEwaves于2010年获得该项技术专利，它采用了高质量的光学谐振腔，通过谐振光学反馈技术，实现了对激光二极管自注入锁定能力的有效利用。该谐振腔尺寸非常小，仅有100μm至几毫米。OEwaves激光器拥有极高的Q-factor系数，可达1012，晶体可穿透的波段非常宽，从近紫外到中红外370-4500nm的波段。

光通过腔体，形成一定的腔体模态，然后使用“渐逝波耦合”技术将光耦合进去。然后使用一个小型的毫米级棱镜，让棱镜的场与腔体的渐逝场相互作用，从而将光耦合到腔体中。之后，一些在腔体中循环的光由于瑞利散射被散射回激光器，通过一个叫做“自注入锁定”的过程，激光的发射被锁定到腔体的模态上，该技术非常稳健，是OEwaves的一项专利技术，该系统其中一个优势是它不需要任何电子设备，是一个完全光学的系统。当这种相互作用发生时，经过腔体滤波的光会被反馈到激光器中，导致激光器的模态坍塌，从而使激光器的线宽变得非常窄。

回音壁模式谐振腔有多种多样的形式，OEwaves使用了硅微球和晶体共振腔，而晶体共振腔是OEwaves最常用的材料。此外，还包括楔形共振腔、微环共振腔，最近还使用过用于光子集成电路的各种新材料。然而，晶体腔体的品质因数是所有腔体中最大的，可达1010到1011，这与其它系统相比非常高。拥有如此高的品质因数意味着腔体模态带宽非常窄，而这种窄带宽提供了非常好的滤波能力。

Lasers Example of Different Wavelength

在量子计算、量子网络和量子传感器应用中，常常会用到像铷、钙离子、锶、锶离子、镱、镱离子以及钡系统，这些原子和离子在支持量子技术方面至关重要，因为它们提供了长寿命的量子态：

- 量子计算：用于量子比特（Qubit）的状态和量子门操作。
- 量子通信：生成纠缠光子对，支持量子传输。
- 量子网络：用于量子算法和量子加密。
- 量子传感器：提供压缩态（Squeezed States）、单光子探测和高精度计量。
而这些不同原子、离子需要不同波长的激光器进行操控、读取、冷却等，OEwaves都可提供对应稳定可靠的激光器产品。

上面两个图为通过自注入锁定与腔体耦合的1550nm半导体激光器。第二张图Y轴表示SSB相位噪声，X轴是傅里叶频率，当使用分布反馈的法布里-珀罗腔体激发半导体激光器并测量其噪声时，会得到图中的红色曲线。当光其与谐振腔耦合后，噪声被抑制了60 dB，相当于降低了100万倍。

该方案的一个优势是可以使用任何波长的激光器，只要它的波长落在微腔的透明窗口内，就可以利用这种方法来降低噪声。该微腔透明窗口通常从紫外波段覆盖到红外波段，不同公司生产的激光器波长不同，但都可通过OEwaves的微腔，因此可利用这种腔体降低任何波长激光器的噪声。

871nm激光器

上图为OEwaves的一个DARPA项目，OEwaves为该项目镱离子钟系统研发了一款低噪声激光器，图中左侧显示的是相位噪声，右侧是频率噪声，通过降低噪声，使激光器实现锁定，其稳定性达到 10-14 量级，且这个稳定性是在一秒钟的时间尺度上实现的。激光器的噪声至关重要，可保持激光器的稳定性，使得激光器更好的与系统相互作用。1MHz的频率偏移下，噪声水平可降低至低于1Hz的范围。因此，这是一个subHz激光器。该激光器是半导体激光器，尺寸紧凑，输出功率为 120 mW，非常适合该时钟系统。

795nm激光器调制

OEwaves激光器的一个优点是可以将PZT（压电陶瓷致动器）层压到谐振器上。当对PZT施加电压时，它会对谐振器施加压力，而这个压力会改变谐振器的折射率，从而引起激光模式的频率偏移。通过这种方式对激光进行调制，这是将激光锁定到原子跃迁或光学腔时所需要的。

激光锁定需要非常低的相对幅度调制（RAM），这个参数与调制器中的非线性效应有关。这种方法使得系统表现得非常线性，能够获得比激光本身噪声低80dB的RAM水平，这个-80dB的改善非常重要，因为在其他系统中，如果要实现类似的稳定性，需要使用非常复杂的电路。而OEwaves的方法很简单，只需在PZT上施加电压即可。

2μm 激光器调制

4.6μm 激光器调制

446nm 激光器调制

如上为OEwaves公司可提供的激光器的一些案例，波长范围覆盖40nm-4.6μm，同时也可以根据客户的具体系统和要求进行定制。

Lasers Noise Measurement System

美国OEwaves公司不但可以提供多种波长的激光器，同时也可提供专门用于测量这些激光器的相位噪声、频率噪声和RIN噪声，如下为市面上不同应用及系统所用到测量设备。这对于量子计算这样复杂的系统来说，非常重要，因为存在的噪声会影响系统性能，但有时候并不知道噪声的来源，而OEwaves的测量系统可以确定噪声是否来自激光。

About Beyond Light 

卓越光子作为美国OEwaves公司在中国独家授权的代理商，负责OEwaves公司超窄线宽激光器、线宽测量仪及RIN噪声分析仪等产品在中国的销售、技术支持、售后服务、市场拓展和渠道建设等工作，如您对产品有什么疑问的话，我们期待与您更深入的探讨！

注：如上内容来源于美国OEwaves公司President&CEO Lute Maleki在日本Q2B量子会议上的报告。
日本的Q2B会议是一个专注于实用量子计算的全球性会议，主要由QC Ware主办。该会议汇集了学术界、工业界和政府的专家，共同讨论量子技术的最新进展。会议涵盖量子计算、量子通信、量子传感器和量子网络等广泛领域，并且展示了量子技术在航空、金融、医疗等行业的实际应用。