Новая технология сужает ширину линии лазера в 10 000 раз для квантовых вычислений

Модельная структура с наложенными прямым (верхний) и обратным (нижний) распространением накачки. Чёрные стрелки указывают на волновые векторы фононного поля для прямого и обратного рассеяния при первом и втором проходах накачки. Автор: APL Photonics (2025). DOI: 10.1063/5.0271652

Исследователи из Университета Маккуори продемонстрировали технологию, позволяющую сузить ширину линии лазерного луча более чем в 10 000 раз — открытие, способное революционизировать квантовые вычисления, атомные часы и детектирование гравитационных волн.

В исследовании, опубликованном в APL Photonics, команда описала использование кристаллов алмаза и эффекта Рамана — явления, при котором лазерный свет стимулирует колебания в материале, а затем рассеивается на этих колебаниях — для сужения ширины линии лазерных лучей с коэффициентом превышающим 10 000.

Ширина линии лазера определяет, насколько точно луч света сохраняет свою частоту и спектральную чистоту. Чем уже линия, тем более монохроматичен и спектрально чист лазер. Теоретические расчёты команды предполагают, что с разработанным методом возможны ещё большие улучшения.

«Современный метод сужения ширины линии использует устройства под названием бриллюэновские лазеры, где звуковые волны взаимодействуют со светом, но эффект относительно слаб — обычно сужение происходит лишь в десятки или сотни раз», — поясняет ведущий автор исследования профессор Ричард Милдрен из Школы математики и физических наук Университета Маккуори и Центра фотонных исследований MQ.

«Наша технология использует вынужденное комбинационное рассеяние, где лазер стимулирует колебания гораздо более высокой частоты в материале, и оказывается в тысячи раз эффективнее для сужения ширины линии».

Профессор Милдрен отмечает, что это исследование представляет собой фундаментальный прорыв в лазерных технологиях.

«По сути, мы предлагаем новый метод очистки спектра лазеров, который можно применить ко многим типам входных лазеров», — объясняет он.

Исследователи тестировали свою технологию на алмазных кристаллах, обладающих исключительными тепловыми свойствами и обеспечивающих стабильную среду для испытаний.

Используя алмазный кристалл размером всего несколько миллиметров в специально разработанной полости, они протестировали намеренно «зашумлённый» входной луч с шириной линии более 10 МГц. Их метод рамановского рассеяния сузил выходной лазерный луч до предела в 1 кГц, доступного их системе детектирования, что соответствует коэффициенту уменьшения более чем в 10 000 раз.

«Наше компьютерное моделирование предполагает, что с вариациями текущей конструкции мы могли бы сузить ширину линии лазера более чем в 10 миллионов раз», — говорит профессор Дэвид Спенс, также из Школы математики и физических наук Университета Маккуори и соавтор статьи.

Новая технология устраняет крошечные случайные вариации во времени световых волн, которые делают лазерные лучи менее чистыми и точными. В идеальном лазере все световые волны были бы идеально синхронизированы, но в реальности некоторые волны слегка опережают или отстают от других, вызывая флуктуации фазы света. Эти фазовые колебания создают «шум» в спектре лазера — размывая его частоту и снижая чистоту цвета.

Метод Рамана работает, перенося эти временные нерегулярности в колебания алмазного кристалла, где они быстро поглощаются и рассеиваются (за несколько триллионных долей секунды). В результате остаются световые волны с гораздо более гладкими колебаниями, что делает их спектрально чище и существенно сужает спектр лазера.

Множество преимуществ

Помимо исключительного сужения ширины линии, исследователи обнаружили, что их метод Рамана предлагает множество преимуществ перед традиционными бриллюэновскими методами, включая возможность достижения значительно меньших минимальных ширины линии.

Эти ультра-узкие лазеры имеют несколько перспективных применений, например, в квантовых компьютерах, где требуется чрезвычайно точный контроль лазера для манипуляции кубитами — базовыми единицами квантовой информации. Современные лазеры могут вносить фазовый шум, вызывающий ошибки в квантовых вычислениях.

Лучшая спектральная чистота также улучшит атомные часы, лежащие в основе GPS-навигации и, возможно, вскоре позволят совершать новые открытия в фундаментальной физике.

А в астрономии детекторы гравитационных волн, измеряющие невероятно крошечные искажения пространства-времени, могут стать ещё чувствительнее с использованием лазерных лучей с более узкой шириной линии, потенциально обнаруживая более слабые сигналы от далёких космических событий.

«Пока наша работа сосредоточена на демонстрации концепции путём исследования мгновенной ширины линии лазера», — говорит профессор Милдрен. «Следующие шаги будут включать адаптацию продвинутой конструкции резонатора и систем активной стабилизации, чтобы мы могли устранить колебания и дрейфы, которые со временем расширяют ширину линии».

Дополнительная информация: R. L. Pahlavani et al, Linewidth narrowing in Raman lasers, APL Photonics (2025). DOI: 10.1063/5.0271652

Источник: Macquarie University