啁啾體布拉格光柵（CBG）：超精細(xì)量子位控制技術(shù)中的新方案

隨著量子計(jì)算、量子模擬和精密測(cè)量等領(lǐng)域的快速發(fā)展，高保真度的量子位操作成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子信息處理的關(guān)鍵。超精細(xì)原子態(tài)作為量子比特的編碼載體，因其長(zhǎng)相干時(shí)間和可控性而備受青睞。然而，傳統(tǒng)的量子位驅(qū)動(dòng)方法（如微波直接驅(qū)動(dòng)或雙激光Raman過(guò)渡）在擴(kuò)展性和穩(wěn)定性上面臨挑戰(zhàn)。近年來(lái)，啁啾體布拉格光柵（Chirped Bragg grating, CBG）作為一種新型色散光學(xué)元件，通過(guò)高效地將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制，為超精細(xì)量子位的Raman驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shì)及其在量子光學(xué)中的廣泛應(yīng)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(dòng)依賴于激光的幅度調(diào)制，以共振驅(qū)動(dòng)超精細(xì)能級(jí)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(wèn)題。CBG通過(guò)其獨(dú)特的色散特性，解決了這一難題。其核心原理如下：

當(dāng)一束相位調(diào)制的激光入射到CBG時(shí)，由于CBG具有很高的群延遲色散（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(hào)。具體而言，CBG的色散效應(yīng)使激光場(chǎng)表示為：

其中，表征CBG的色散強(qiáng)度。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，CBG可實(shí)現(xiàn)接近理論極限的幅度調(diào)制效率，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)濾波或干涉方法（詳見(jiàn)圖1）。

圖1、CBG方案優(yōu)勢(shì)比較

CBG的被動(dòng)穩(wěn)定性是其另一大優(yōu)勢(shì)：它無(wú)需主動(dòng)穩(wěn)頻或復(fù)雜干涉儀，直接利用體光柵的物理特性實(shí)現(xiàn)調(diào)制轉(zhuǎn)換，避免了環(huán)境振動(dòng)或溫度波動(dòng)導(dǎo)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(duì)激光頻率漂移（≤1 GHz）不敏感，非常適合長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)運(yùn)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(jiǎn)稱：CBG，昊量光電）是一款具有頻率選擇和色散控制的被動(dòng)晶體器件，它是通過(guò)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(jiàn)下圖），根據(jù)布拉格條件，在不同位置處對(duì)應(yīng)不同頻率波長(zhǎng)的激光，通過(guò)產(chǎn)生不同的光程差實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiàn)參數(shù)示例：

• 常見(jiàn)波長(zhǎng)：780nm,795nm,895nm,其他波長(zhǎng)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(zhǎng)可通過(guò)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(shì)：高效率、高保真度與可擴(kuò)展性

啁啾體布拉格光柵（CBG）在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出優(yōu)的性能。在文章《Dispersive optical systems for scalable Raman driving of hyperfine qubits》的基準(zhǔn)測(cè)試中，研究人員利用CBG系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)了約300個(gè)銣-87原子組成的量子比特陣列，實(shí)現(xiàn)了以下突破：

•  高Rabi頻率：全局Raman驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)2 MHz，遠(yuǎn)超微波直接驅(qū)動(dòng)方法，為快速量子門操作奠定基礎(chǔ)。

•  低誤差率：每個(gè)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(zhǎng)相干時(shí)間：通過(guò)動(dòng)態(tài)退耦技術(shù)，量子比特的相干時(shí)間延長(zhǎng)至303 ms，支持深層量子電路。

圖4、啁啾體布拉格光柵（CBG）應(yīng)用圖示

與傳統(tǒng)方法（如馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x或頻率梳）相比，CBG的“相干度量"（coherence Metric）高達(dá)0.339（文章1），意味著在相同激光功率下，CBG能實(shí)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(gè)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(yīng)用場(chǎng)景：從量子計(jì)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(tái)中具有廣泛應(yīng)用潛力：

1. 中性原子量子處理器：在光學(xué)鑷子陣列中，CBG驅(qū)動(dòng)的Raman過(guò)渡可用于單量子比特門操作。文檔2的實(shí)驗(yàn)表明，CBG系統(tǒng)在300原子陣列中實(shí)現(xiàn)了高保真度全局驅(qū)動(dòng)，且可通過(guò)局部尋址技術(shù)擴(kuò)展至數(shù)千量子比特。結(jié)合文檔1中的長(zhǎng)程相干傳輸技術(shù)，CBG支持基于區(qū)域的量子計(jì)算架構(gòu)，實(shí)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(dòng)穩(wěn)定性降低了系統(tǒng)維護(hù)成本，適合長(zhǎng)期運(yùn)行的量子鐘或傳感器。

3. 量子度量學(xué)：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(jì)，提升測(cè)量精度。例如，在文檔2中，CBG驅(qū)動(dòng)的相干操作時(shí)間達(dá)秒級(jí)，為高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)并行單量子比特尋址，進(jìn)一步推動(dòng)量子誤差校正和量子模擬的應(yīng)用。未來(lái)，啁啾體布拉格光柵（CBG）技術(shù)有望在近期內(nèi)支持?jǐn)?shù)萬(wàn)原子尺度的量子處理器的開(kāi)發(fā)。

啁啾體布拉格光柵（CBG）通過(guò)其獨(dú)特的色散設(shè)計(jì)，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(dòng)中的關(guān)鍵瓶頸。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，啁啾體布拉格光柵（CBG）兼具高效率、高穩(wěn)定性和可擴(kuò)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(jì)算、離子陷阱和精密測(cè)量領(lǐng)域的必要組件

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參考文獻(xiàn)：

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).