On yıllardır yalnızca titreşimsiz odaları, optik masaları ve karmaşık lazer kurulumları olan laboratuvarlarda mümkün olabilen soğuk atom deneyleri, UC Santa Barbara’daki araştırmacıların çalışmalarıyla çip ölçeğine inmeye başladı. Yaklaşım, navigasyondan iklim izlemesine, hassas zaman tutmadan kuantum hesaplamaya uzanan geniş bir teknolojik yelpazede ‘laboratuvar-dışı’ doğruluk vaat ediyor. Ekip, deniz seviyesindeki artış ve deniz buzullarındaki değişimlerin yüksek hassasiyetle ölçümü, yüzlerce kilometre uzaktaki depremlerin tespiti ve uzay-zaman deneyleri gibi alanlarda taşınabilir sistemlerin kullanılabileceğini belirtiyor.
ENTEGRE FOTONİK ATILIMI
Proje, DARPA’nın daha küçük atom saatleri talebine yanıt veren çalışmalarla başladı. Araştırmacılar, rubidyum gibi atomları soğutup tuzaklayan ışın iletimini entegre fotoniğe taşıyacak şekilde kurguladı ve geleneksel optik masadaki aynalar, modülatörler, dengeleyiciler ve frekans kaydırıcıların işlevlerini fotonik entegre devreler üzerinde yeniden üretecek bir mimari geliştirdi. Zorluk; laboratuvar ölçeğindeki hassas hizalamaların ve kararlılığın çip üzerinde tekrarlanmasını gerektiren yeni malzeme ve tasarım çözümlerini kapsamaktaydı.
RUBİDYUMU SOĞUTAN ÇİP
2023’te ekip, Fotonik Entegre 3B Manyeto-Optik Tuzak (PICMOT) ile rubidyum buharı içeren vakum hücresine silikon nitrür dalga kılavuzları üzerinden lazer ışınları iletip bir milyondan fazla atomu yakaladı ve yaklaşık 250 mikrokelvine kadar soğuttu. Manyetik bobinler ve dikkatle hizalanmış ışınlarla kurulan düzenekte atom sayısının ve sıcaklık kontrolünün, duyarlılık ve ölçüm doğruluğunu artırdığı vurgulandı. Bu, saha uygulamaları için kritik eşiğin aşıldığı bir kilometre taşı olarak değerlendirildi.
GÜRÜLTÜSÜZ LAZER ÇÖZÜMÜ
2024’te giderilmesi gereken ana engellerden biri olan lazer çizgi genişliği ele alındı. Ticari diyot lazerlerin geniş ve dalgalı çizgi genişliklerinin kuantum hassasiyetini sınırlaması üzerine ekip, silikon nitrür çip üzerinde kendi kendine enjeksiyon kilitli 780 nm bir ışık kaynağı geliştirdi. Fabry–Pérot diyot lazeri, yüksek Q rezonatörler ve dalga kılavuzlarıyla kilitlenerek düşük gürültülü, yüksek kararlı, tek frekanslı hale getirildi. Çip tabanlı kaynak, laboratuvar türdeşleriyle rekabet eden; geri bildirim hızında, gürültü tabanında ve kararlılıkta üstünlük gösteren performans sundu.
KÜBİT ÜRETEN ÇİP
Çip üstü lazerler ve optik kontrol elemanları olgunlaştıkça, ekibin mimarisi hapsolmuş iyon platformuna da taşındı. Massachusetts Amherst Üniversitesi iş birliğiyle, entegre lazerlerle ilk kez iyon tabanlı kübitlerin üretimi başarıldı. Bu gösterim, kompakt kuantum işlemciler için kritik bir adım olarak konumlandı ve entegre fotonik–kuantum donanımı köprüsünün pratikte kurulabileceğini kanıtladı.
GPS’SİZ HASSAS NAVİGASYON
Taşınabilir soğuk atom sistemleri; GPS’siz ataletsel navigasyon, yeraltı yapı keşfi, iklim parametrelerinin yüksek çözünürlüklü takibi, yerçekimi testleri ve karanlık madde arayışı gibi deneysel sınırları saha koşullarına taşımaya aday. Bu minyatür altyapı aynı zamanda kuantum bilgisayarlarının daha hızlı ve düşük maliyetle ölçeklendirilmesine de yardımcı olabilir. Araştırmacılar, ilk hedefler arasında deniz seviyesi ve buz kütle değişimlerinin taşınabilir ölçümleri ile deprem dalgalarının uzak mesafelerden hassas tespitinin yer aldığını aktarıyor.
MÜHENDİSLİK GÜNDEMİ
Bununla birlikte, çok sayıda atom gerektiren bileşenlerin (kompakt vakum hücresi, yakalama donanımı ve atom kaynağı) daha da küçültülmesi kritik bir geliştirme başlığı olarak sürüyor. Ekip, bu modüllerin çip ölçeğine entegrasyonu için aktif olarak çalışıyor; hedef, ‘optik masanın tamamını’ minyatür formda, paketlenebilir, titreşim dayanımlı ve saha dağıtımına hazır hale getirmek.
