論文の概要: A photonic integrated comb engine for ultracold quantum gases

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.28294v1
• Date: Wed, 23 Sep 2026 15:41:05 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-09-25 00:05:18.098962
• Title: A photonic integrated comb engine for ultracold quantum gases
• Title（参考訳）: 超低温量子ガス用フォトニック集積コームエンジン
• Abstract要約: 完全に統合されたレーザーコム源を用いた超低温量子ガスのコヒーレントな操作はまだ実現されていない。 我々は、780nmのスケーラブルでハイブリッドなマイクロコームエンジンを実演し、周波数、原子参照、電力増幅をシームレスに橋渡しする。 我々の研究は、展開可能な大規模原子量子システムを実現するのに不可欠な、変換的で完全に統合された周波数合成アーキテクチャを確立する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 16.822964182559037
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Cold atoms underpin quantum sensing, simulation and computation, but their coherent control demands highly stable optical fields whose generation, referencing and power scaling remain formidable integration challenges. While photonic integrated circuits have yielded compact visible lasers and high-$Q$ microresonators have enabled chip-scale optical frequency combs, these crucial technologies have largely remained functionally fragmented. Consequently, the coherent manipulation of ultracold quantum gases using a fully integrated laser-comb source has yet to be realized. Here we demonstrate a scalable, hybrid-integrated microcomb engine at 780 nm that seamlessly bridges frequency synthesis, atomic referencing and power amplification to achieve quantum state control of a Bose--Einstein condensate. By self-injection locking of electrically driven III--V lasers to high-$Q$ Si$_3$N$_4$ microresonators, we generate coherent platicon microcombs featuring 20- and 100-GHz mode spacings. Absolute referencing of the microcomb to an $^{85}$Rb transition actively suppresses long-term frequency drift from over 200 MHz to the 100-kHz level across 2,000 s. A selected comb tooth is subsequently injection-amplified to 102 mW, entirely preserving the microcomb's pristine coherence and stability. We utilize this synthesized field to construct an optical lattice, drive coherent two-photon Raman transitions, and prepare stationary spin-orbit-coupled and Raman-lattice states within an $^{87}$Rb condensate. By providing a synchronized optical grid, this atom-referenced microcomb allows multiple optical-control channels to scale without a proportional multiplication of independent frequency references. Our work establishes a transformative, fully integrated frequency-synthesis architecture essential for realizing deployable, large-scale atomic quantum systems.
• Abstract（参考訳）: コールド原子は量子センシング、シミュレーション、計算を支えているが、そのコヒーレントな制御は、生成、参照、パワースケーリングが深刻な統合課題である非常に安定した光学場を必要とする。 フォトニック集積回路は小型の可視レーザーを出力し、高価格のマイクロ共振器はチップスケールの光周波数コムを実現しているが、これらの重要な技術は機能的に断片化され続けている。 そのため、完全に統合されたレーザーコム源を用いた超低温量子ガスのコヒーレントな操作は実現されていない。 ここでは、ボース-アインシュタイン凝縮体の量子状態制御を実現するために、周波数合成、原子参照、電力増幅をシームレスにブリッジするスケーラブルでハイブリッドなマイクロコムエンジンを780nmで実証する。 電気駆動型III-Vレーザーの高Q$Si$_3$N$_4$マイクロ共振器への自己注入ロックにより、20GHzと100GHzのモード間隔を有するコヒーレントプラチコンを生成する。 マイクロコムの$^{85}$Rb遷移への絶対参照は、200MHz以上から2000MHz以上の100kHzまでの長期周波数のドリフトを積極的に抑制する。 その後、選択されたコーム歯を102mWに注入増幅し、マイクロコームのプリンコヒーレンスと安定性を完全に保存する。 我々は、この合成場を利用して光学格子を構築し、コヒーレントな2光子ラマン遷移を駆動し、$^{87}$Rb凝縮体内で定常スピン軌道結合およびラマン格子状態を作成する。 同期光グリッドを提供することにより、この原子参照マイクロコムは、独立周波数参照の比例乗算なしで複数の光制御チャネルをスケールすることができる。 我々の研究は、展開可能な大規模原子量子システムを実現するのに不可欠な、変換的で完全に統合された周波数合成アーキテクチャを確立する。

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