啁啾體布拉格光柵（CBG）：超精細量子位控制技術中的新方案

隨著量子計算、量子模擬和精密測量等領域的快速發展，高保真度的量子位操作成為實現大規模量子信息處理的關鍵。超精細原子態作為量子比特的編碼載體，因其長相干時間和可控性而備受青睞。然而，傳統的量子位驅動方法（如微波直接驅動或雙激光Raman過渡）在擴展性和穩定性上面臨挑戰。近年來，啁啾體布拉格光柵（Chirped Bragg grating, CBG）作為一種新型色散光學元件，通過高效地將相位調制轉換為幅度調制，為超精細量子位的Raman驅動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驗數據(文章2-《A Tweezer Array with 6100 highly coherent atomic qubits》)，系統介紹CBG的技術原理、性能優勢及其在量子光學中的廣泛應用，旨在推廣這一高性能產品。

一. CBG技術原理：從相位調制到幅度調制的高效轉換

量子位驅動依賴于激光的幅度調制，以共振驅動超精細能級間的躍遷。傳統方法如雙激光干涉或電光調制器存在效率低、穩定性差等問題。CBG通過其獨特的色散特性，解決了這一難題。其核心原理如下：

當一束相位調制的激光入射到CBG時，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。這種相位調整將原本破壞性干涉的邊帶分量轉化為建設性干涉，從而生成高效的幅度調制信號。具體而言，CBG的色散效應使激光場表示為：

其中，表征CBG的色散強度。通過優化參數，CBG可實現接近理論極限的幅度調制效率，遠優于傳統濾波或干涉方法（詳見圖1）。

圖1、CBG方案優勢比較

CBG的被動穩定性是其另一大優勢：它無需主動穩頻或復雜干涉儀，直接利用體光柵的物理特性實現調制轉換，避免了環境振動或溫度波動導致的性能退化。如文檔2所述，CBG在50 GHz帶寬內保持高反射率，且對激光頻率漂移（≤1 GHz）不敏感，非常適合長期實驗運行。

二、CBG產品是什么？  

CBG英文全名Chirped Bragg grating ,中文名：啁啾體布拉格光柵（簡稱：CBG，昊量光電）是一款具有頻率選擇和色散控制的被動晶體器件，它是通過在晶體內部沿光傳播方向實現非等周期性的折射率調制（詳見下圖），根據布拉格條件，在不同位置處對應不同頻率波長的激光，通過產生不同的光程差實現對色散的精確控制。

圖2、啁啾體布拉格光柵（CBG）原理圖示

啁啾體布拉格光柵（CBG）產品基于PTR晶體材料制作，物理性能穩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）常見參數示例：

• 常見波長：780nm,795nm,895nm,其他波長均可制作；

• 帶寬：0.1±0.03nm；

• 高衍射效率：>90% ；

• 色散能力: ~400ps^2@單通，~800ps^2@雙通；

• 波長可通過角度略作調諧 ；

• 尺寸: 11.25mm x 6.25mm ；

• 高功率（>1.5W or lager）

三、啁啾體布拉格光柵（CBG）方案的性能優勢：高效率、高保真度與可擴展性

啁啾體布拉格光柵（CBG）在實驗中展現出優的性能。在文章《Dispersive optical systems for scalable Raman driving of hyperfine qubits》的基準測試中，研究人員利用CBG系統驅動了約300個銣-87原子組成的量子比特陣列，實現了以下突破：

•  高Rabi頻率：全局Raman驅動頻率達2 MHz，遠超微波直接驅動方法，為快速量子門操作奠定基礎。

•  低誤差率：每個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%。

•  長相干時間：通過動態退耦技術，量子比特的相干時間延長至303 ms，支持深層量子電路。

圖4、啁啾體布拉格光柵（CBG）應用圖示

與傳統方法（如馬赫-曾德爾干涉儀或頻率梳）相比，CBG的“相干度量"（coherence Metric）高達0.339（文章1），意味著在相同激光功率下，CBG能實現更多量子操作而不引發散射誤差。此外，CBG兼容高功率激光（文章1中使用了1.5 W光源），可直接縮放至大規模原子陣列。例如，文章2中展示了6100個原子量子比特的陣列，啁啾體布拉格光柵（CBG）技術方案為此類系統的量子控制提供了可行路徑。

四、啁啾體布拉格光柵（CBG）應用場景：從量子計算到量子模擬

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中具有廣泛應用潛力：

1. 中性原子量子處理器：在光學鑷子陣列中，CBG驅動的Raman過渡可用于單量子比特門操作。文檔2的實驗表明，CBG系統在300原子陣列中實現了高保真度全局驅動，且可通過局部尋址技術擴展至數千量子比特。結合文檔1中的長程相干傳輸技術，CBG支持基于區域的量子計算架構，實現邏輯量子比特編碼。

2. 離子陷阱系統：CBG同樣適用于離子陷阱，其幅度調制能力可用于離子內態的Raman邊帶冷卻或糾纏門操作。被動穩定性降低了系統維護成本，適合長期運行的量子鐘或傳感器。

3. 量子度量學：CBG生成的高穩定性幅度調制激光可用于原子鐘或磁力計，提升測量精度。例如，在文檔2中，CBG驅動的相干操作時間達秒級，為高精度頻率標準提供了基礎。

啁啾體布拉格光柵（CBG）還可與液晶空間光調制器（SLM, MeadoeLark Optics）或聲光偏轉器（AOD）結合，實現并行單量子比特尋址，進一步推動量子誤差校正和量子模擬的應用。未來，啁啾體布拉格光柵（CBG）技術有望在近期內支持數萬原子尺度的量子處理器的開發。

啁啾體布拉格光柵（CBG）通過其獨特的色散設計，將相位調制高效轉換為幅度調制，解決了量子位驅動中的關鍵瓶頸。實驗數據證實，啁啾體布拉格光柵（CBG）兼具高效率、高穩定性和可擴展性，優于傳統調制方法。隨著量子技術向大規模發展，啁啾體布拉格光柵（CBG）產品有望成為量子計算、離子陷阱和精密測量領域的必要組件

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參考文獻：

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).