比发丝更细的光学芯片以1/80功耗助力量子计算机规模化

新型光学相位调制器有望突破下一代量子计算机所需的大规模量子比特数限制。

一款比人类发丝更细的芯片，可能成为实现真正可扩展量子计算机的关键突破。研究人员近日展示了一种新型光学相位调制器，其尺寸不足头发宽度的百分之一，这项技术有望最终解锁下一代量子机器所需的海量量子比特集成能力。

这一进展专为规模化设计。研究团队摒弃了庞大且需定制的大型硬件，转而采用与日常微电子设备（如电脑、手机、汽车甚至烤面包机中的芯片）相同的制造工艺来制造该器件。

在电气、计算机与能源工程系即将入学的博士生杰克·弗里德曼、量子工程学教授兼卡尔·古斯塔夫森讲席教授马特·艾肯菲尔德，以及桑迪亚国家实验室合作者（包括共同资深作者尼尔斯·奥特斯特罗姆）的带领下，团队成功研制出一款微小而强大，且关键在于可大规模生产的器件。

该调制器利用每秒振动数十亿次的微波频率振动，以极高精度操控激光。

激光控制技术的突破

这些超高速振动使研究人员能够直接控制激光相位，并以高稳定性和高效率生成新频率——这些功能对量子计算、传感和网络技术至关重要。囚禁离子和囚禁中性原子系统是当前主流的量子架构之一。这些量子比特将信息存储在单个原子中，必须通过精度极高的调谐激光束进行寻址。

弗里德曼表示：“生成频率存在精确差异的激光副本，是基于原子和离子的量子计算机最重要的工具之一。但要实现规模化，就需要能高效产生这些新频率的技术。”

目前的频率转换系统依赖大型桌面设备，消耗高功率微波能量，这虽适用于实验室演示，却无法扩展至未来量子计算机所需的数十万个光学通道。“我们不可能用十万个庞大的电光调制器堆满整个光学平台仓库来建造量子计算机，”艾肯菲尔德指出，“必须找到更具可扩展性的制造方案……”

新器件成功解决了这一难题。其消耗的微波功率比许多商业调制器低约80倍，并通过高效的相位调制产生新的光频。更低的功耗意味着更少的热量，使得更多通道能够并排集成，甚至可容纳于单一微型芯片上。

为规模化而生的芯片制造

这项突破的关键在于制造方式：完全在半导体代工厂完成。“CMOS制造是人类有史以来最具扩展性的技术，”艾肯菲尔德解释道，“因此通过CMOS工艺，未来我们可以生产数千甚至数百万个完全相同的光子器件……”

奥特斯特罗姆认为，团队将原本“昂贵且功耗巨大”的设备变得高效紧凑。“我们正推动光学领域迎来自身的‘晶体管革命’。”

接下来，研究人员计划构建集成光子电路，将频率生成、滤波和脉冲雕刻功能整合在同一芯片上。“该器件是拼图的最后关键部分之一，”弗里德曼说，“我们距离实现能操控海量量子比特的真正可扩展光子平台越来越近。”

此项研究由美国能源部通过“量子系统加速器”计划资助，成果发表于《自然·通讯》期刊。

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