啁啾体布拉格光栅（CBG）：超精细量子位控制技术中的新方案

啁啾体布拉格光栅（CBG）：超精细量子位控制技术中的新方案

随着量子计算、量子模拟和精密测量等领域的快速发展，高保真度的量子位操作成为实现大规模量子信息处理的关键。超精细原子态作为量子比特的编码载体，因其长相干时间和可控性而备受青睐。然而，传统的量子位驱动方法（如微波直接驱动或双激光Raman过渡）在扩展性和稳定性上面临挑战。近年来，啁啾体布拉格光栅（Chirped Bragg grating, CBG）作为一种新型色散光学元件，通过高效地将相位调制转换为幅度调制，为超精细量子位的Raman驱动提供了革命性的解决方案。本文基于前沿研究论文（文章1-《DISPersive optical systems for scalable Raman driving of hyperfine qubits》）及大尺度原子阵列实验数据(文章2-《A Tweezer Array with 6100 highly coherent atomic qubits》)，系统介绍CBG的技术原理、性能优势及其在量子光学中的广泛应用，旨在推广这一高性能产品。

一.CBG技术原理：从相位调制到幅度调制的高效转换

量子位驱动依赖于激光的幅度调制，以共振驱动超精细能级间的跃迁。传统方法如双激光干涉或电光调制器存在效率低、稳定性差等问题。CBG通过其独特的色散特性，完美解决了这一难题。其核心原理如下：

当一束相位调制的激光入射到CBG时，由于CBG具有极高的群延迟色散（Group delay dispersion, GDD），不同频率的激光分量在反射后积累不同的相位差。这种相位调整将原本破坏性干涉的边带分量转化为建设性干涉，从而生成高效的幅度调制信号。具体而言，CBG的色散效应使激光场表示为：

其中，表征CBG的色散强度。通过优化参数，CBG可实现接近理论极限的幅度调制效率，远优于传统滤波或干涉方法（详见图1）。

图1、CBG方案优势比较

CBG的被动稳定性是其另一大优势：它无需主动稳频或复杂干涉仪，直接利用体光栅的物理特性实现调制转换，避免了环境振动或温度波动导致的性能退化。如文档2所述，CBG在50 GHz带宽内保持高反射率，且对激光频率漂移（≤1 GHz）不敏感，非常适合长期实验运行。

二、CBG产品是什么？

CBG英文全名Chirped Bragg grating ,中文名：啁啾体布拉格光栅（简称：CBG，昊量光电）是一款具有频率选择和色散控制的被动晶体器件，它是通过在晶体内部沿光传播方向实现非等周期性的折射率调制（详见下图），根据布拉格条件，在不同位置处对应不同频率波长的激光，通过产生不同的光程差实现对色散的精确控制。

图2、啁啾体布拉格光栅（CBG）原理图示

啁啾体布拉格光栅（CBG）产品基于PTR晶体材料制作，物理性能稳定且能提供较大的色散能力（~400ps^2@单通，~800ps^2@双通 ），较高的衍射效率（>90%）,且适用于高功率激光。

图3、啁啾体布拉格光栅（CBG）及色散曲线图示

啁啾体布拉格光栅（CBG）常见参数示例：

常见波长：780nm,795nm,895nm,其他波长均可制作；

带宽：0.1±0.03nm；

高衍射效率：>90% ；

色散能力: ~400ps^2@单通，~800ps^2@双通；

波长可通过角度略作调谐 ；

尺寸: 11.25mm x 6.25mm ；

高功率（>1.5W or lager）

三、啁啾体布拉格光栅（CBG）方案的性能优势：高效率、高保真度与可扩展性

啁啾体布拉格光栅（CBG）在实验中展现出卓越的性能。在文章《Dispersive optical systems for scalable Raman driving of hyperfine qubits》的基准测试中，研究人员利用CBG系统驱动了约300个铷-87原子组成的量子比特阵列，实现了以下突破：

高Rabi频率：全局Raman驱动频率达2 MHz，远超微波直接驱动方法，为快速量子门操作奠定基础。

低误差率：每个π脉冲的光子散射误差率低于2×10⁻⁴，单量子门保真度接近99.99%。

长相干时间：通过动态退耦技术，量子比特的相干时间延长至303 ms，支持深层量子电路。

图4、啁啾体布拉格光栅（CBG）应用图示

与传统方法（如马赫-曾德尔干涉仪或频率梳）相比，CBG的“相干度量”（coherence Metric）高达0.339（文章1），意味着在相同激光功率下，CBG能实现更多量子操作而不引发散射误差。此外，CBG兼容高功率激光（文章1中使用了1.5 W光源），可直接缩放至大规模原子阵列。例如，文章2中展示了6100个原子量子比特的阵列，啁啾体布拉格光栅（CBG）技术方案为此类系统的量子控制提供了可行路径。

四、啁啾体布拉格光栅（CBG）应用场景：从量子计算到量子模拟

啁啾体布拉格光栅（CBG）的鲁棒性和高效率使其在多种量子平台中具有广泛应用潜力：

1.中性原子量子处理器：在光学镊子阵列中，CBG驱动的Raman过渡可用于单量子比特门操作。文档2的实验表明，CBG系统在300原子阵列中实现了高保真度全局驱动，且可通过局部寻址技术扩展至数千量子比特。结合文档1中的长程相干传输技术，CBG支持基于区域的量子计算架构，实现逻辑量子比特编码。

2.离子陷阱系统：CBG同样适用于离子陷阱，其幅度调制能力可用于离子内态的Raman边带冷却或纠缠门操作。被动稳定性降低了系统维护成本，适合长期运行的量子钟或传感器。

3.量子度量学：CBG生成的高稳定性幅度调制激光可用于原子钟或磁力计，提升测量精度。例如，在文档2中，CBG驱动的相干操作时间达秒级，为高精度频率标准提供了基础。

啁啾体布拉格光栅（CBG）还可与液晶空间光调制器（SLM, MeadoeLark Optics）或声光偏转器（AOD）结合，实现并行单量子比特寻址，进一步推动量子误差校正和量子模拟的应用。未来，啁啾体布拉格光栅（CBG）技术有望在近期内支持数万原子尺度的量子处理器的开发。

啁啾体布拉格光栅（CBG）通过其独特的色散设计，将相位调制高效转换为幅度调制，解决了量子位驱动中的关键瓶颈。实验数据证实，啁啾体布拉格光栅（CBG）兼具高效率、高稳定性和可扩展性，优于传统调制方法。随着量子技术向大规模发展，啁啾体布拉格光栅（CBG）产品有望成为量子计算、离子陷阱和精密测量领域的必要组件

上海昊量光电设备有限公司是目前国内知名的光电产品供应商，公司销售的啁啾体布拉格光栅（CBG）、超窄带滤光片（QBF-10GHz）、高速和超高速液晶空间光调制器(SLM)、DMD空间光调制器、声光调制器（AOM）等产品广泛的应用在量子光学领域，欢迎大家咨询调研。

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参考文献：

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).

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审核编辑 黄宇