一、量子系統與激光器
Quantum System and Laser
量子科技在提升運算處理能力、加強信息安全保護能力、提高傳感測量精度等方面，具備廣闊技術潛力。當前量子科技產業包括量子計算、量子通信、量子測量三大方向，而激光器通過操控量子系統中的粒子（如離子和原子等），從而在量子領域中扮演了非常關鍵的角色。
其中，激光器的噪聲對量子系統有著非常直接的影響，主要體現在以下幾個方面：
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量過程中的準確性。高保真度意味著量子比特能夠準確地保持其量子狀態。
影響：激光噪聲會導致量子比特狀態的變化或不穩定，從而降低保真度。量子計算和量子信息處理依賴于高保真度的量子比特，以確保計算結果的準確性和可靠性。
2） 干擾精確控制
量子系統中常需要對粒子（如離子或冷原子）進行精確的激發和操控，以實現量子計算的操作。
影響：激光噪聲會導致激光頻率的波動，從而影響對粒子的精確控制。這會使得量子操作的精確性下降，影響計算和操作的效果。
3） 影響量子測量
量子測量是讀取量子系統狀態的過程，通常需要高精度的探測。
影響：激光噪聲會影響測量過程中光子的信號，從而導致測量結果的不準確。這會影響到量子狀態的讀取精度，進而影響實驗結果的可靠性。
4） 影響量子通信的安全性
量子通信包括量子密鑰分發（QKD）等應用，需要通過量子態的傳輸確保信息的安全。
影響：激光噪聲會導致光子產生的不穩定性和不可預測性，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
激光冷卻技術用于將粒子冷卻至接近絕對零度，以提高系統的穩定性；光陷阱用于將粒子固定在特定位置。
影響：激光噪聲會干擾冷卻過程，導致粒子動能增加，影響冷卻效果。同時，噪聲還可能導致粒子在光陷阱中的不穩定，影響實驗的精度和效果。
量子技術的精確控制和測量要求激光器具有極低的噪聲水平，必須通過精確的技術和方法來加以控制，以確保量子計算、量子通信等應用的高效性和可靠性，關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：通過改進激光器設計和使用噪聲抑制技術來減少激光噪聲。
- 激光頻率鎖定：使用高精度的頻率鎖定技術來穩定激光的輸出頻率。
- 補償和校正：在實驗中采用補償和校正技術來減小噪聲對量子操作的影響。
二、OEwaves技術背景
Technical Background of OEwaves
OEwaves 成立于 2000 年，作為一個從美國NASA旗下Jet Propulsion Laboratory 和加州理工學院的研究中衍生出的公司。公司致力于將先進的激光技術商業化，并在多個高科技領域中應用這些技術。OEwaves 的技術背景和發展歷史深深植根于 JPL 和 Caltech 的激光頻率穩定、光學傳感器等前沿研究，OEwaves 公司獲得了多達 126 項專利，微波光子領域的專利超過 30 項，并且公司還獲得了無數獎項，包括兩個著名的SPIE Prism 獎、lEEESawyer獎 及Patrick Soon-Shiong 創新獎。公司在電氣和電子工程師協會(IEEE)半導體制造專利權排名中名列前 20 名。這為公司在激光和光學技術領域的成功奠定了堅實的基礎，近幾年公司專注于量子計算領域。公司的主打產品為超窄線寬激光器、激光器線寬及RIN噪聲測量設備等。
為什么量子系統需要超窄線寬激光器？
拿鐿（Yb?）離子系統舉例，時鐘躍遷的435納米波長的激光器并不容易獲取，通常需要使用871納米的激光器，然后通過倍頻技術達到所需波長。在這個系統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？因為鐘躍遷是一個非常窄的躍遷，需要使用低噪聲的激光器，以便高效地與這個躍遷相互作用并激發它。該激光器既用于激發，也用于測量。
OEwaves超窄線寬激光器屬于半導體激光器，體積小，可和iPhone相比，堅固耐用，且功耗非常低，該激光器基于回音壁光學微腔技術（WGM）。
該回音壁光學微腔技術享譽業界，OEwaves于2010年獲得該項技術專利，它采用了高質量的光學諧振腔，通過諧振光學反饋技術，實現了對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，可達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，然后使用“漸逝波耦合”技術將光耦合進去。然后使用一個小型的毫米級棱鏡，讓棱鏡的場與腔體的漸逝場相互作用，從而將光耦合到腔體中。之后，一些在腔體中循環的光由于瑞利散射被散射回激光器，通過一個叫做“自注入鎖定”的過程，激光的發射被鎖定到腔體的模態上，該技術非常穩健，是OEwaves的一項專利技術，該系統其中一個優勢是它不需要任何電子設備，是一個完全光學的系統。當這種相互作用發生時，經過腔體濾波的光會被反饋到激光器中，導致激光器的模態坍塌，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，晶體腔體的品質因數是所有腔體中最大的，可達1010到1011，這與其它系統相比非常高。擁有如此高的品質因數意味著腔體模態帶寬非常窄，而這種窄帶寬提供了非常好的濾波能力。
三、 不同波長激光器示例
Lasers Example of Different Wavelength
在量子計算、量子網絡和量子傳感器應用中，常常會用到像銣、鈣離子、鍶、鍶離子、鐿、鐿離子以及鋇系統，這些原子和離子在支持量子技術方面至關重要，因為它們提供了長壽命的量子態：
- 量子計算：用于量子比特（Qubit）的狀態和量子門操作。
- 量子通信：生成糾纏光子對，支持量子傳輸。
- 量子網絡：用于量子算法和量子加密。
- 量子傳感器：提供壓縮態（Squeezed States）、單光子探測和高精度計量。
而這些不同原子、離子需要不同波長的激光器進行操控、讀取、冷卻等，OEwaves都可提供對應穩定可靠的激光器產品。
1550nm激光器
上面兩個圖為通過自注入鎖定與腔體耦合的1550nm半導體激光器。第二張圖Y軸表示SSB相位噪聲，X軸是傅里葉頻率，當使用分布反饋的法布里-珀羅腔體激發半導體激光器并測量其噪聲時，會得到圖中的紅色曲線。當光其與諧振腔耦合后，噪聲被抑制了60 dB，相當于降低了100萬倍。
該方案的一個優勢是可以使用任何波長的激光器，只要它的波長落在微腔的透明窗口內，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，不同公司生產的激光器波長不同，但都可通過OEwaves的微腔，因此可利用這種腔體降低任何波長激光器的噪聲。
871nm激光器
上圖為OEwaves的一個DARPA項目，OEwaves為該項目鐿離子鐘系統研發了一款低噪聲激光器，圖中左側顯示的是相位噪聲，右側是頻率噪聲，通過降低噪聲，使激光器實現鎖定，其穩定性達到 10-14 量級，且這個穩定性是在一秒鐘的時間尺度上實現的。激光器的噪聲至關重要，可保持激光器的穩定性，使得激光器更好的與系統相互作用。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subHz激光器。該激光器是半導體激光器，尺寸緊湊，輸出功率為 120 mW，非常適合該時鐘系統。
795nm激光器調制
OEwaves激光器的一個優點是可以將PZT（壓電陶瓷致動器）層壓到諧振器上。當對PZT施加電壓時，它會對諧振器施加壓力，而這個壓力會改變諧振器的折射率，從而引起激光模式的頻率偏移。通過這種方式對激光進行調制，這是將激光鎖定到原子躍遷或光學腔時所需要的。
激光鎖定需要非常低的相對幅度調制（RAM），這個參數與調制器中的非線性效應有關。這種方法使得系統表現得非常線性，能夠獲得比激光本身噪聲低80dB的RAM水平，這個-80dB的改善非常重要，因為在其他系統中，如果要實現類似的穩定性，需要使用非常復雜的電路。而OEwaves的方法很簡單，只需在PZT上施加電壓即可。
2μm 激光器調制
4.6μm 激光器調制
446nm 激光器調制
370nm激光器
如上為OEwaves公司可提供的激光器的一些案例，波長范圍覆蓋40nm-4.6μm，同時也可以根據客戶的具體系統和要求進行定制。
四、激光器噪聲測量系統
Lasers Noise Measurement System
美國OEwaves公司不但可以提供多種波長的激光器，同時也可提供專門用于測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用及系統所用到測量設備。這對于量子計算這樣復雜的系統來說，非常重要，因為存在的噪聲會影響系統性能，但有時候并不知道噪聲的來源，而OEwaves的測量系統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公司在中國獨家授權的代理商，負責OEwaves公司超窄線寬激光器、線寬測量儀及RIN噪聲分析儀等產品在中國的銷售、技術支持、售后服務、市場拓展和渠道建設等工作，如您對產品有什么疑問的話，我們期待與您更深入的探討！
注：如上內容來源于美國OEwaves公司President&CEO Lute Maleki在日本Q2B量子會議上的報告。
日本的Q2B會議是一個專注于實用量子計算的全球性會議，主要由QC Ware主辦。該會議匯集了學術界、工業界和政府的專家，共同討論量子技術的最新進展。會議涵蓋量子計算、量子通信、量子傳感器和量子網絡等廣泛領域，并且展示了量子技術在航空、金融、醫療等行業的實際應用。
