量子科学研究

量子もつれは、各光子の量子状態を他の光子の状態とは独立して記述できないように、光子ペアが生成される物理現象です。量子暗号を含む量子情報理論に多くの用途があります。超高品質係数(UHQ)マイクロキャビティは、理論的な量子物理学から応用科学まで、幅広いアプリケーション向けの有望な統合プラットフォームとして登場しています。CWレーザーで励起されると、複数の絡み合った光子ペアが光パラメトリック発振によって生成することができます。

量子コンピューター、タッププルーフデータ転送、または高感度センサー–重ね合わせやエンタングルメントなどの量子力学的特性は、将来の多くの技術システムの基本です。量子情報と技術の学際的なコア領域では、ウルム大学の科学者が理論と実験によって量子物理現象を探求しています。全体的な目標は、量子システムを完全に制御することです。また、凝縮物質、ナノ構造、および生物系における量子物理効果についても説明することです。

JILAのストロンチウム光格子時計は、超安定時計レーザーをレーザー冷却およびトラップされたストロンチウム原子に参照することによって機能します。ストロンチウムは、1018の品質係数を持つ自然界で最も高いQ周波数のリファレンスの1つです。このクロックは、多体量子システムのより低い量子投影ノイズを利用して、クロックの精度、安定性、および全体的な系統的不確実性において新しい記録を達成します。精密分光法のために原子を準備するには、それらは最初に461nmの青色ダイオードレーザーからの光を使用してレーザー冷却されます。次に、2番目の赤色レーザー冷却段階の後、原子は光格子にロードされ、そこで定在波の光に閉じ込められます。次に、クロックレーザーはコヒーレント分光法に用いられます。青色光は、蛍光を介して基底状態と励起状態の原子の数を測定するために再び使用されます。これにより、原子共鳴に対するレーザー周波数が測定されます。

光周波数コムは、現代の計測学、精密分光法、天文観測、超高速光学の基礎です。チップスケールデバイスで周波数コムを生成する最先端の方法は、超高Qモノリシック微小共振器におけるKerrやラマンの非線形性に基づいています。UCLAのCheeWei Wongのグループは、キャビティの上部に製造された2層イオンゲルゲートグラフェントランジスタを介して、コーム形成に使用される窒化ケイ素微小共振器の分散を調整する電子的方法を実証しました。この分散調整は、最大106のキャビティ品質係数を維持しながら、グラフェントランジスタのゲート調整可能な光伝導率を微小共振器のキャビティ内フィールドに結合することによって実現されます。この方法では、2.3テラヘルツから7.2テラヘルツまでの電荷調整可能な一次コムライン、coherent Kerr周波数コム、制御可能なチェレンコフ放射、および制御可能なソリトン状態がすべて単一のマイクロキャビティで生成されます。

ColdQuantaの革新的なBECシステムは、極低温原子とBECの生成を合理化および簡素化するように設計されています。システムの中心にあるのはRuBECi®で、ルビジウム原子が1mK未満の温度に冷却され、トラップされ、真空セル内で操作されます。New Focusのテーパー増幅器は、レーザー冷却と原子の操作に十分なパワーを提供するために使用されます。

New Focus Vortex Plusレーザーとテーパー増幅器は、2018年5月21日に打ち上げられた国際宇宙ステーション(ISS)で現在稼働しているJPL冷原子研究所(CAL)サイエンスモジュールで採用されています。CALサイエンスモジュールは、新しい量子現象を観察することを目的とした、微小重力環境での冷原子実験を可能にします。

Spectra-PhysicsおよびNewFocusは、精密分光法、原子冷却、光クロック、微小共振器、その他の量子科学アプリケーションなど、原子、分子、光学(AMO)物理学分野のアプリケーションに最適な波長可変レーザーのリーダーです。量子技術の研究では、リングレーザーと外部共振器ダイオードレーザー(ECDL)の2種類の連続波波長可変レーザーがよく使用されています。どちらのレーザーを選択するか基準となるものは、波長、出力、調整可能な波長範囲、狭線幅、および長期安定性があります。

	リングレーザー	外部共振器ダイオードレーザー
Output Power	Watts	Milliwatts, standalone Watts, with tapered amplifier
Tuning Range – Wide	400 nm with broadband optics	130 nm wide tuning Velocity
Tuning Range – Fine	˜50 kHz	˜50 kHz
Linewidth	<30 kHz rms over 100 msec <20 kHz rms over 100 µsec	<2.5 kHz @ 5 µsec <200 kHz @ 50 msec
Power Stability	<1% with closed loop power stabilization accessory	<1% (over 1 hour ±2°C)
Wavelength Stability	<1 pm with counterdrift plugin and high-finesse wavemeter	2 pm (over 1 hour ±2°C)
Fiber-Coupled Option	No	Yes

• Matisse 超狭線幅波長可変リングレーザー: 業界最高クラスの出力、極めて狭い線幅、広いチューニング範囲
• Velocity 波長可変外部共振器ダイオードレーザー: 幅広い波長と細かい波長の両方の調整、極めて狭い線幅
• Vortex Plus 波長可変外部共振器ダイオードレーザー: 極めて狭い線幅、精密に調整可能な最高性能
• VAMPテーパ型増幅器を備えたVortex Plus: 調整可能な固定波長のパワーを向上

	Matisse	Velocity	Vortex Plus	Vortex Plus with VAMP
Max Output Power	>7.2 W @ 780 nm	60 mW (free space @ 1064 nm)	70 mW (free space @ 780 & 1064 nm)	>2 W (free space @ 780 nm)
Wavelength Availability Range	668 -1068 nm (Ti:Sapphire) 550-760 nm (Dye)	635-2450 nm	455-1630 nm	765 to 915 nm
Tuning Range – Wide	680-790 to 880-1038 nm (Ti:Sapphire) 550-660 to 650-760 nm (Dye)	407-412 to 2350-2450 nm	459-461 to 1520-1630 nm	765 to 915 nm
Tuning Range – Fine	>50 GHz	>120 GHz to >20 GHz	>120 GHz to >25 GHz	>120 GHz to >25 GHz
Tuning Resolution	<1 pm with wavemeter	10 pm wide tuning resolution	0.02 pm piezo tuning resolution	0.02 pm piezo tuning resolution
Tuning Speed	0.006 pm/sec slow piezo scan 60 pm/sec fast piezo scan	20 nm/sec wide tuning	20 pm/ms piezo tuning	20 pm/ms piezo tuning
Linewidth	<30 kHz over 100 msec <20kHz over 100 µsec	<2.5 kHz over 5 µsec <200 kHz over 50 msec	2.5 kHz over 5 µsec <200 kHz over 50 msec	Seed laser dependent
Power Stability	<1% with closed loop power stabilization accessory	<1% (over 1 hour ±2°C)	<1% (over 1 hour ±2°C)	±1%, typical (seed laser dependent)
Wavelength Stability	<1 pm with counterdrift plugin and high-finesse wavemeter	2 pm (over 1 hour ±2°C)	2 pm (over 1 hour ±2°C)	Seed laser dependent
Other Features	Automated alignment Hands-free wavelength tuning Mode-hop-free tuning Intuitive GUI with optional Wavemeter integration	Fiber-Coupled Option Mode-hop-free wide tuning Shock-proof, thermally insulated Magnetic damping	Fiber-Coupled Option Mode-hop-free tuning Magnetic damping	Safety shutoff feature at low power Heavy housing and heat sink

連続波波長エクステンダーのWaveTrainダブラーおよびMixTrain周波数ミキサーは、Matisseのパフォーマンスをさらに高めるために使用されます。MKS/Spectra-PhysはMatisse、WaveTrain、MixTrainのさまざまな構成で、206nmから4.2µmの波長範囲においてオールソリッドステートソリューションを提供します。

WaveTrain 3D 周波数ダブラー	MixTrain 周波数ミキサー
CWレーザーの外部キャビティ周波数は2倍 Matisseシリーズレーザーの出力の第2高調波を生成 入力波長範囲: 412-1600nm 35%を超える倍増効率	単一周波数CWレーザーの和周波または差周波 ミキシング 入力波長範囲: 690-1020nm 出力範囲: 422-670nm 差出力範囲: 1.1- 4.2µm 2Wを超える和周波発生

MKSは、40年以上にわたり、さまざまな市場で数千のシステムや光学アプリケーションにコンポーネントと専門知識を提供してきました。量子技術研究、特に中性原子、トラップ型イオン、フォトニックアプローチ向けに幅広い製品を提供しています。アプリケーションに最適な光学システムを構築するために、他の製品も参照ください。