Heterogeneously Integrated Efficient and Widely Tunable Lasers at 795 nm for Rubidium-Based Quantum Technologies

لفهم تحدي تقليص مستقبل الحوسبة، يجب أولاً النظر إلى الذرات التي قد تشغله. يتجه العلماء بشكل متزايد نحو سحب من ذرات الروبيديوم، وهي جزيئات محايدة متناهية الصغر يمكن التحكم بها بالضوء لتخزين المعلومات أو ضبط الوقت بدقة مذهلة. تعمل هذه الذرات كبنات بناء للجيل القادم من الحواسيب الكمومية والساعات الذرية فائقة الدقة. ومع ذلك، فإن التحكم فيها يتطلب حالياً معدات ضخمة وحساسة لا توجد إلا في المختبرات. ولجعل هذه التقنيات مفيدة خارج المختبر، يحتاج الباحثون إلى تقليص نظام التحكم بأكمله ليصبح بحجم الرقاقة الإلكترونية. وقد كان العائق الأكبر هو مصدر الضوء نفسه: الليزر. إن إنشاء ليزر صغير بما يكفي ليتناسب مع رقاقة، وفي الوقت نفسه قوي ومستقر بما يكفي للتفاعل مع هذه الذرات الهشة، كان يمثل عنق زجاجة مستمر. يجب أن يكون الضوء نقياً، وثابتاً، وقابلاً للضبط، لكن الطرق التقليدية لبناء هذه الليزرات غالباً ما تفشل عند محاولة دمج مواد مختلفة على سطح واحد صغير.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من تجاوز هذا الحاجز عبر تطوير طريقة جديدة لبناء الليزرات مباشرة على رقائق السيليكون، وتحديداً لضبطها على الطول الموجي المطلوب للتحكم في ذرات الروبيديوم. تقدم عملهم طريقة تسمح بطباعة مكونات ليزر صغيرة جاهزة مسبقاً على منصة سيليكون، مما يخلق أجهزة ليست مدمجة فحسب، بل قوية وفعالة بشكل ملحوظ. وباستخدام تقنية تسمى "الطباعة بالنقل المجهري" (micro-transfer printing)، تمكنوا من وضع مكون مضخم للضوء مباشرة مقابل دليل موجي من السيليكون، حيث قاموا أساساً بوضعهما جنباً إلى جنب للسماح للضوء بالتدفق بسلاسة من أحدهما إلى الآخر. هذا الاتصال البسيط والفعال يحل مشكلة رئيسية عانت منها المحاولات السابقة، وهي صعوبة مرور الضوء بين المواد المختلفة دون فقدان الطاقة أو توليد الكثير من الحرارة. والنتي نتيجة لذلك هي نظام ليزر يمكن تصنيعه على نطاق واسع، مما يوفر مساراً لاستبدال المعدات الضخمة التي توضع فوق الطاولات والمستخدمة حالياً في الأبحاث الكمومية بشيء يتناسب مع رقاقة واحدة.

استعرض الباحثون نوعين متميزين من الليزرات باستخدام طريقة التكامل الجديدة هذه، وكلاهما مصمم لتلبية المتطلبات الصارمة للفيزياء الذرية. الأول هو ليزر مجهري صغير ومنخفض الضجيج يُعرف باسم "ليزر الميكروغير" (microgear laser). هذا الجهاز صغير للغاية، حيث تبلغ أبعاده 1.5 ملم في 0.25 ملم، ومع ذلك ينتج شعاعاً ضوئياً بقدرة تزيد عن 22 ميلي واط. والأهم من ذلك، أن الضوء الذي ينبعث منه نقي للغاية، مع عرض خط أساسي يبلغ 3 كيلو هرتز فقط. وفي عالم الليزرات، يعني هذا الضيق أن الضوء مستقر ودقيق للغاية، وهي صفة أساسية لتبريد الذرات وإعدادها للعمليات الكمومية. كما يحقق الجهاز كفاءة في استهلاك الطاقة (wall-plug efficiency) بنسبة 9.4 بالمائة، مما يعني أنه يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء بدرجة عالية من الفعالية، وهو مستوى أداء يضاهي الليزرات التجارية ولكن في حزمة أصغر بكثير. وهذه الكفاءة هي نتيجة مباشرة لطريقة الطباعة الخاصة بهم، والتي تسمح للحرارة بالهروب بسهولة إلى ركيزة السيليكون، مما يمنع الليزر من ارتفاع درجة الحرارة وفقدان القدرة.

الجهاز الثاني الذي ابتكروه هو ليزر قابل للضبط على نطاق واسع، مصمم لتوفير المرونة بدلاً من مجرد الاستقرار الخام. يستخدم هذا الليزر ترتيباً ذكياً من المرشحات حلقية الشكل لاختيار ألوان محددة من الضوء، مما يسمح بضبط الطول الموجي للمخرجات عبر نطاق واسٍ. أظهر الباحثون أن هذا الليزر يمكن ضبطه عبر نطاق خشن قدره 9 نانومتر، مغطياً الأطوال الموجية المحددة المطلوبة لتفاعلات الروبيديوم. وضمن ذلك النطاق، يمكنه إجراء تعديلات دقيقة على مدى يتجاوز 140 جيجا هرتز، ويمكنه القيام بذلك دون القفز بين أنماط التشغيل المختلفة لنطاق مستمر قدره 45 جيجا هرتز. هذه القدرة على تغيير لون الضوء بسلاسة ودقة أمر بالغ الأهمية لربط الليزر بالانتقالات الطاقية المحددة لذرات الروبيديوم، مما يضمن بقاء النظام مستقراً بمرور الوقت. حقق الفريق ذلك من خلال دمج مكون الليزر المطبوع مع حلقة تغذية راجعة مصنوعة من نيتريد السيليكون، وهي مادة معروفة بانخفاض الفقد البصري، مما يساعد في الحفاظ على جودة الضوء أثناء انتقاله.

تكمن أهمية هذا العمل في قابليته للتوسع وفي المشكلات المحددة التي يحلها للصناعة الكمومية. اعتمدت المحاولات السابقة لدمج الليزرات على الرقائق غالباً على تقنيات ربط معقدة جعلت من الصعب تبديد الحرارة أو تحقيق طاقة عالية، مما حد من استخدامها في تطبيقات الطاقة المنخفضة. في المقابل، يسمح نهج الطباعة بالنقل المجهري هذا بالتلامس المباشر بين الليزر والرقاقة، مما يتيح إدارة فائقة للحرارة وطاقة إخراج أعلى. أكد الباحثون أن أجهزتهم يمكن أن تعمل دون المشكلات الحرارية التي تتسبب عادة في فشل الليزرات عند مستويات الطاقة العالية. كما أظهروا أن الليزرات يمكن إنتاجها باستخدام عمليات تصنيع قياسية، مما يشير إلى إمكانية إنتاج هذه المكونات بكميات كبيرة في المستقبل. وهذا يفتح الباب لاستبدال ليزرات الدايود ذات التجويف الخارجي الماكروسكوبية الحالية، وهي كبيرة وهشة، بأنظمة متكاملة قوية وجاهزة للنشر الميداني.

يستبعد البحث صراحة فكرة أن طرق ربط الرقائق التقليدية هي الحل الأفضل لهذه التطبيقات المحددة ذات الطاقة العالية والطول الموجي القصير. ويجادل المؤلفون بأنه بينما يعمل الربط في بعض الاستخدامات، فإنه يعاني من ضعف تبديد الحرارة ويتطلب محاذاة معقدة يصعب توسيع نطاقها. وتظهر نتائجهم أن طريقة الطباعة بالاقتران الطرفي (butt-coupled printing) هي الأفضل لهذه المهمة المحددة، حيث توفر طاقة أعلى وكفاءة أفضل. كما أشاروا إلى أنه بينما أجهزتهم الحالية فعالة للغاية، فإن المزيد من التحسينات في جودة مادة نيتريد السيليكون قد تدفع الأداء إلى مستويات أعلى، وربما تصل بعرض الخط إلى عشرات الهرتز. وهذا من شأنه أن يجعل الليزرات مناسبة لمهام القياس الأكثر دقة. لقد قاس الفريق نتائجهم مباشرة، مؤكدين قوة وكفاءة واستقرار الليزرات من خلال اختبارات صارمة، بدلاً من الاعتماد على المحاكاة وحدها.

في نهاية المطاف، يوفر هذا البحث مجموعة أدوات كاملة لبناء أنظمة التحكم البصري اللازمة للجيل القادم من التقنيات الكمومية. ومن خلال إثبات قدرتهم على إنشاء كل من الليزرات المستقرة منخفضة الضجيج والليزرات القابلة للضبط على نطاق واسع على رقاقة واحدة، عالج الباحثون عقبة الأجهزة التي منعت المعالجات الكمومية والساعات الذرية من أن تصبح محمولة. إن القدرة على توليد الضوء عند 795 نانومتر بطاقة عالية وضجيج منخفض مباشرة على رقاقة سيليكون تعني أن الإعدادات البصرية المعقدة اليوم يمكن تكثيفها في شكل يتناسب مع مكتب أو حتى مركبة. هذا التقدم يقرب وعد الحوسبة الكمومية والقياس الزمني الدقيق من الواقع، وينقل هذه التقنيات من البيئة المحكومة في المختبر إلى العالم العملي حيث يمكن استخدامها لحل مشكلات العالم الحقيقي.