比發絲更細的光學芯片以1/80功耗助力量子計算機規模化

新型光學相位調制器有望突破下一代量子計算機所需的大規模量子比特數限制。

一款比人類發絲更細的芯片，可能成為實現真正可擴展量子計算機的關鍵突破。研究人員近日展示了一種新型光學相位調制器，其尺寸不足頭發寬度的百分之一，這項技術有望最終解鎖下一代量子機器所需的海量量子比特集成能力。

這一進展專為規模化設計。研究團隊摒棄了龐大且需定制的大型硬件，轉而采用與日常微電子設備（如電腦、手機、汽車甚至烤面包機中的芯片）相同的制造工藝來制造該器件。

在電氣、計算機與能源工程系即將入學的博士生杰克·弗里德曼、量子工程學教授兼卡爾·古斯塔夫森講席教授馬特·艾肯菲爾德，以及桑迪亞國家實驗室合作者（包括共同資深作者尼爾斯·奧特斯特羅姆）的帶領下，團隊成功研制出一款微小而強大，且關鍵在于可大規模生產的器件。

該調制器利用每秒振動數十億次的微波頻率振動，以極高精度操控激光。

激光控制技術的突破

這些超高速振動使研究人員能夠直接控制激光相位，并以高穩定性和高效率生成新頻率——這些功能對量子計算、傳感和網絡技術至關重要。囚禁離子和囚禁中性原子系統是當前主流的量子架構之一。這些量子比特將信息存儲在單個原子中，必須通過精度極高的調諧激光束進行尋址。

弗里德曼表示：“生成頻率存在精確差異的激光副本，是基于原子和離子的量子計算機最重要的工具之一。但要實現規模化，就需要能高效產生這些新頻率的技術。”

目前的頻率轉換系統依賴大型桌面設備，消耗高功率微波能量，這雖適用于實驗室演示，卻無法擴展至未來量子計算機所需的數十萬個光學通道。“我們不可能用十萬個龐大的電光調制器堆滿整個光學平臺倉庫來建造量子計算機，”艾肯菲爾德指出，“必須找到更具可擴展性的制造方案……”

新器件成功解決了這一難題。其消耗的微波功率比許多商業調制器低約80倍，并通過高效的相位調制產生新的光頻。更低的功耗意味著更少的熱量，使得更多通道能夠并排集成，甚至可容納于單一微型芯片上。

為規模化而生的芯片制造

這項突破的關鍵在于制造方式：完全在半導體代工廠完成。“CMOS制造是人類有史以來最具擴展性的技術，”艾肯菲爾德解釋道，“因此通過CMOS工藝，未來我們可以生產數千甚至數百萬個完全相同的光子器件……”

奧特斯特羅姆認為，團隊將原本“昂貴且功耗巨大”的設備變得高效緊湊。“我們正推動光學領域迎來自身的‘晶體管革命’。”

接下來，研究人員計劃構建集成光子電路，將頻率生成、濾波和脈沖雕刻功能整合在同一芯片上。“該器件是拼圖的最后關鍵部分之一，”弗里德曼說，“我們距離實現能操控海量量子比特的真正可擴展光子平臺越來越近。”

此項研究由美國能源部通過“量子系統加速器”計劃資助，成果發表于《自然·通訊》期刊。

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