初の冷たい原子を集積したチップが開発される

カリフォルニア大学サンタバーバラ校の科学者らは、従来は実験室全体を必要とした冷たい原子を用いた実験装置を、手のひらサイズのチップ上に集積する技術を開発した。この進歩により、小型の量子センサーやプロセッサの実現への道が開かれた。

冷たい原子を用いた実験では、通常、絶対零度近くまで冷却し、極めて高い精度でレーザーを照射する必要がある。このため、通常は大型で振動から遮断された装置が用いられてきた。研究者らは現在、光学テーブル上に設置されていたレーザーや変調器、安定化装置などの機能を、光集積回路へと移行させつつある。

2023年、研究チームはシリコンナイトライド製の光導路を通じてレーザー光を導く、光集積3D磁気光学トラップ（PICMOT）を用いて、ルビジウムの冷たい原子雲の生成に成功した。磁気コイルを適用することで、100万個以上の原子を捕捉し、250マイクロケルビンまで冷却することができた。

2024年、研究者らは雑音の多いレーザーの問題を解決するため、780ナノメートル波長で自己注入同期技術を用いたチップ集積型レーザーを開発した。ファブリ・ペロー型レーザーダイオードを基盤とし、高品質な共振器と光導路を利用することで安定化を実現し、狭いスペクトル線幅を持つ光を得た。この光源は実験室レベルのシステムに匹敵し、場合によっては安定性と低雑音性においてそれを上回った。

このプロジェクトは元々、国防高等研究計画局（DARPA）からの、小型原子時計に関する関心に端を発している。しかし、その展望ははるかに広く、小型量子デバイスはGPSに依存しない航法を可能にする可能性がある。さらに、こうしたシステムは気候変動や地球物理学的プロセスの検知、数百キロメートル離れた微弱な地下振動の検出、宇宙空間での重力実験や暗黒物質を含む新たな粒子の探索への応用が期待される。

マサチューセッツ大学アマースト校との共同研究において、研究者らは集積化レーザーを用いて初めてイオン量子ビットを生成し、小型量子プロセッサに向けた重要な一歩を踏み出した。

ただし、真空チャンバーや原子源の小型化については課題が残っているものの、チームは全ての構成要素を単一の小型デバイスに統合する研究を続けている。