啁啾體布拉格光柵（CBG）：超精細量子位控制技術(shù)中的新方案

隨著量子計算、量子模擬和精密測量等領(lǐng)域的快速發(fā)展，高保真度的量子位操作成為實現(xiàn)大規(guī)模量子信息處理的關(guān)鍵。超精細原子態(tài)作為量子比特的編碼載體，因其長相干時間和可控性而備受青睞。然而，傳統(tǒng)的量子位驅(qū)動方法（如微波直接驅(qū)動或雙激光Raman過渡）在擴展性和穩(wěn)定性上面臨挑戰(zhàn)。近年來，啁啾體布拉格光柵（Chirped Bragg grating, CBG）作為一種新型色散光學元件，通過高效地將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制，為超精細量子位的Raman驅(qū)動提供了革命性的解決方案。本文基于前沿研究論文（文章1-《DISPersive optical systems for scalable Raman driving of hyperfine qubits》）及大尺度原子陣列實驗數(shù)據(jù)(文章2-《A Tweezer Array with 6100 highly coherent atomic qubits》)，系統(tǒng)介紹CBG的技術(shù)原理、性能優(yōu)勢及其在量子光學中的廣泛應用，旨在推廣這一高性能產(chǎn)品。

一.CBG技術(shù)原理：從相位調(diào)制到幅度調(diào)制的高效轉(zhuǎn)換

量子位驅(qū)動依賴于激光的幅度調(diào)制，以共振驅(qū)動超精細能級間的躍遷。傳統(tǒng)方法如雙激光干涉或電光調(diào)制器存在效率低、穩(wěn)定性差等問題。CBG通過其獨特的色散特性，完美解決了這一難題。其核心原理如下：

當一束相位調(diào)制的激光入射到CBG時，由于CBG具有極高的群延遲色散（Group delay dispersion, GDD），不同頻率的激光分量在反射后積累不同的相位差。這種相位調(diào)整將原本破壞性干涉的邊帶分量轉(zhuǎn)化為建設(shè)性干涉，從而生成高效的幅度調(diào)制信號。具體而言，CBG的色散效應使激光場表示為：

其中，表征CBG的色散強度。通過優(yōu)化參數(shù)，CBG可實現(xiàn)接近理論極限的幅度調(diào)制效率，遠優(yōu)于傳統(tǒng)濾波或干涉方法（詳見圖1）。

圖1、CBG方案優(yōu)勢比較

CBG的被動穩(wěn)定性是其另一大優(yōu)勢：它無需主動穩(wěn)頻或復雜干涉儀，直接利用體光柵的物理特性實現(xiàn)調(diào)制轉(zhuǎn)換，避免了環(huán)境振動或溫度波動導致的性能退化。如文檔2所述，CBG在50 GHz帶寬內(nèi)保持高反射率，且對激光頻率漂移（≤1 GHz）不敏感，非常適合長期實驗運行。

二、CBG產(chǎn)品是什么？

CBG英文全名Chirped Bragg grating ,中文名：啁啾體布拉格光柵（簡稱：CBG，昊量光電）是一款具有頻率選擇和色散控制的被動晶體器件，它是通過在晶體內(nèi)部沿光傳播方向?qū)崿F(xiàn)非等周期性的折射率調(diào)制（詳見下圖），根據(jù)布拉格條件，在不同位置處對應不同頻率波長的激光，通過產(chǎn)生不同的光程差實現(xiàn)對色散的精確控制。

圖2、啁啾體布拉格光柵（CBG）原理圖示

啁啾體布拉格光柵（CBG）產(chǎn)品基于PTR晶體材料制作，物理性能穩(wěn)定且能提供較大的色散能力（~400ps^2@單通，~800ps^2@雙通 ），較高的衍射效率（>90%）,且適用于高功率激光。

圖3、啁啾體布拉格光柵（CBG）及色散曲線圖示

啁啾體布拉格光柵（CBG）常見參數(shù)示例：

常見波長：780nm,795nm,895nm,其他波長均可制作；

帶寬：0.1±0.03nm；

高衍射效率：>90% ；

色散能力: ~400ps^2@單通，~800ps^2@雙通；

波長可通過角度略作調(diào)諧 ；

尺寸: 11.25mm x 6.25mm ；

高功率（>1.5W or lager）

三、啁啾體布拉格光柵（CBG）方案的性能優(yōu)勢：高效率、高保真度與可擴展性

啁啾體布拉格光柵（CBG）在實驗中展現(xiàn)出卓越的性能。在文章《Dispersive optical systems for scalable Raman driving of hyperfine qubits》的基準測試中，研究人員利用CBG系統(tǒng)驅(qū)動了約300個銣-87原子組成的量子比特陣列，實現(xiàn)了以下突破：

高Rabi頻率：全局Raman驅(qū)動頻率達2 MHz，遠超微波直接驅(qū)動方法，為快速量子門操作奠定基礎(chǔ)。

低誤差率：每個π脈沖的光子散射誤差率低于2×10??，單量子門保真度接近99.99%。

長相干時間：通過動態(tài)退耦技術(shù)，量子比特的相干時間延長至303 ms，支持深層量子電路。

圖4、啁啾體布拉格光柵（CBG）應用圖示

與傳統(tǒng)方法（如馬赫-曾德爾干涉儀或頻率梳）相比，CBG的“相干度量”（coherence Metric）高達0.339（文章1），意味著在相同激光功率下，CBG能實現(xiàn)更多量子操作而不引發(fā)散射誤差。此外，CBG兼容高功率激光（文章1中使用了1.5 W光源），可直接縮放至大規(guī)模原子陣列。例如，文章2中展示了6100個原子量子比特的陣列，啁啾體布拉格光柵（CBG）技術(shù)方案為此類系統(tǒng)的量子控制提供了可行路徑。

四、啁啾體布拉格光柵（CBG）應用場景：從量子計算到量子模擬

啁啾體布拉格光柵（CBG）的魯棒性和高效率使其在多種量子平臺中具有廣泛應用潛力：

1.中性原子量子處理器：在光學鑷子陣列中，CBG驅(qū)動的Raman過渡可用于單量子比特門操作。文檔2的實驗表明，CBG系統(tǒng)在300原子陣列中實現(xiàn)了高保真度全局驅(qū)動，且可通過局部尋址技術(shù)擴展至數(shù)千量子比特。結(jié)合文檔1中的長程相干傳輸技術(shù)，CBG支持基于區(qū)域的量子計算架構(gòu)，實現(xiàn)邏輯量子比特編碼。

2.離子陷阱系統(tǒng)：CBG同樣適用于離子陷阱，其幅度調(diào)制能力可用于離子內(nèi)態(tài)的Raman邊帶冷卻或糾纏門操作。被動穩(wěn)定性降低了系統(tǒng)維護成本，適合長期運行的量子鐘或傳感器。

3.量子度量學：CBG生成的高穩(wěn)定性幅度調(diào)制激光可用于原子鐘或磁力計，提升測量精度。例如，在文檔2中，CBG驅(qū)動的相干操作時間達秒級，為高精度頻率標準提供了基礎(chǔ)。

啁啾體布拉格光柵（CBG）還可與液晶空間光調(diào)制器（SLM, MeadoeLark Optics）或聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）結(jié)合，實現(xiàn)并行單量子比特尋址，進一步推動量子誤差校正和量子模擬的應用。未來，啁啾體布拉格光柵（CBG）技術(shù)有望在近期內(nèi)支持數(shù)萬原子尺度的量子處理器的開發(fā)。

啁啾體布拉格光柵（CBG）通過其獨特的色散設(shè)計，將相位調(diào)制高效轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制，解決了量子位驅(qū)動中的關(guān)鍵瓶頸。實驗數(shù)據(jù)證實，啁啾體布拉格光柵（CBG）兼具高效率、高穩(wěn)定性和可擴展性，優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)制方法。隨著量子技術(shù)向大規(guī)模發(fā)展，啁啾體布拉格光柵（CBG）產(chǎn)品有望成為量子計算、離子陷阱和精密測量領(lǐng)域的必要組件

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參考文獻：

Manetsch et al., "A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits" (2025);

Levine et al., "Dispersive optical systems for scalable Raman driving of hyperfine qubits" (2021).

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審核編輯 黃宇