量子計算重大突破：關(guān)鍵器件尺寸縮小至僅為人類頭發(fā)的百分之一

一種全新的芯片級器件實(shí)現(xiàn)了對激光頻率前所未有的精確控制，而這正是大規(guī)模量子計算的關(guān)鍵要素之一。

美國科羅拉多大學(xué)與桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在量子計算領(lǐng)域取得了一項(xiàng)重要進(jìn)展：他們開發(fā)出了一種體積極其微小的器件，其厚度幾乎比人類頭發(fā)細(xì)100倍。

這項(xiàng)成果發(fā)表在《Nature Communications（自然·通訊）》期刊上，其核心是一種新型光學(xué)相位調(diào)制器，能夠?qū)す膺M(jìn)行極其精確的控制。這一能力對于未來的量子計算機(jī)至關(guān)重要——真正實(shí)用的量子計算機(jī)將需要成千上萬，甚至數(shù)百萬個量子比特（qubit，量子信息的基本單元）來完成復(fù)雜計算。

這項(xiàng)研究由杰克·弗里德曼（Jake Freedman）領(lǐng)銜，他是科羅拉多大學(xué)博爾德分校電氣、計算機(jī)與能源工程系即將入學(xué)的博士生；同時由該校教授、量子工程“卡爾·古斯塔夫森”冠名講席的馬特·艾肯菲爾德（Matt Eichenfield）共同領(lǐng)導(dǎo)。研究團(tuán)隊還與桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）的研究人員合作，其中包括共同資深作者尼爾斯·奧特斯特倫（Nils Otterstrom），共同開發(fā)出一種在體積極小的同時具備強(qiáng)大性能，并且能夠以低成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造的器件。

可規(guī)模化制造是突破的關(guān)鍵，這項(xiàng)成就的一個關(guān)鍵點(diǎn)在于器件的制造方式。

研究團(tuán)隊沒有采用昂貴、手工定制的特殊元件，而是使用了可規(guī)模化的制造工藝，其原理與計算機(jī)、手機(jī)、汽車以及家用電器（幾乎所有依賴電力運(yùn)行的設(shè)備，甚至包括烤面包機(jī)）中處理器的制造方式相同。

研究團(tuán)隊成功打造了一種體積極小、性能強(qiáng)大、同時又能低成本大規(guī)模生產(chǎn)的器件。

芯片如何工作

該芯片通過產(chǎn)生微波頻率的機(jī)械振動來工作——這些振動每秒振蕩數(shù)十億次，并被用來以極高精度控制激光光束。

借助這些高速振動，器件可以精確調(diào)節(jié)激光的相位，并以極高的穩(wěn)定性和效率生成新的激光頻率。

這些能力被認(rèn)為是推動量子計算以及新興領(lǐng)域如量子傳感和量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。

為什么量子計算依賴精確的光學(xué)頻率控制

在目前最有前景的量子計算路線中，囚禁離子（trapped-ion）和囚禁中性原子（trapped-neutral-atom）系統(tǒng)占據(jù)重要位置，它們將信息存儲在單個原子中。

為了操控這些量子比特，研究人員需要使用高度精確的激光束與每一個原子“對話”，向它們下達(dá)計算指令。

每一束激光的頻率都必須進(jìn)行極端精確的調(diào)諧，誤差往往需要控制在十億分之一甚至更小的范圍內(nèi)。

以非常精確的頻率差生成激光的多個副本，是操控原子和離子量子計算機(jī)最重要的工具之一。但是，如果要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，就必須有一種能夠高效生成這些新頻率的技術(shù)。

當(dāng)前技術(shù)的瓶頸

如今，這種頻率轉(zhuǎn)換主要依賴體積龐大的桌面級設(shè)備，不僅占用空間大，而且需要消耗大量微波功率。

這些系統(tǒng)在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室研究和少量量子比特的量子計算機(jī)中運(yùn)行良好，但無法擴(kuò)展到未來量子計算機(jī)所需的數(shù)萬甚至數(shù)十萬個光學(xué)通道。因?yàn)槲覀儾豢赡茉谝粋€倉庫大小的光學(xué)平臺上，擺放10萬個笨重的電光調(diào)制器來構(gòu)建量子計算機(jī)，而
需要一種真正可規(guī)模化的制造方式，不依賴手工組裝，也不需要很長的光路。更重要的是，如果它們能被集成到幾塊小型芯片上，同時產(chǎn)生的熱量減少100倍，那么成功的可能性將大大提高。

高效、低功耗、可高度集成

該芯片通過高效的相位調(diào)制來生成新的光頻，其所需的微波功率比許多商業(yè)調(diào)制器低約80倍。

更低的功耗意味著更少的發(fā)熱，也使得更多通道能夠緊密集成，甚至集成在同一塊芯片上。

這些特性使該芯片成為一個強(qiáng)大、可擴(kuò)展的系統(tǒng)，能夠管理原子在量子計算中所需完成的復(fù)雜“舞蹈”。

采用全球最具規(guī)模化潛力的制造技術(shù)

該項(xiàng)目最重要的亮點(diǎn)之一是：整個器件完全在“晶圓廠（fab）”中制造，即與先進(jìn)微電子芯片相同的生產(chǎn)設(shè)施。“CMOS 制造工藝是人類歷史上最具規(guī)模化能力的技術(shù)，每一塊手機(jī)或電腦芯片上，都有數(shù)十億個幾乎完全相同的晶體管。通過 CMOS 工藝，未來可以生產(chǎn)成千上萬甚至數(shù)百萬個完全一致的光子器件——這正是量子計算真正需要的。

研究團(tuán)隊將原本昂貴、耗能高、體積龐大的調(diào)制器，轉(zhuǎn)變?yōu)楦痈咝А⒕o湊的器件。

研究人員正在推動光學(xué)領(lǐng)域迎來屬于它自己的‘晶體管革命’，從類似真空管的光學(xué)技術(shù)，邁向真正可規(guī)模化的集成光子技術(shù)。

邁向完整量子光子芯片

目前，團(tuán)隊正研發(fā)高度集成的光子電路，將頻率生成、濾波以及脈沖整形整合在同一塊芯片上，使“完整可運(yùn)行芯片”的目標(biāo)更加接近現(xiàn)實(shí)。

接下來，他們將與量子計算公司合作，在最先進(jìn)的囚禁原子與囚禁中性原子量子計算機(jī)中測試這些芯片。

這款器件是拼圖中最后幾塊關(guān)鍵部件之一，他們已經(jīng)非常接近完成一個真正可擴(kuò)展的光子平臺，能夠控制數(shù)量極其龐大的量子比特。