这款微型芯片，改写量子计算格局

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据多方估算，量子计算机要在网络安全、药物研发及其他行业实现其潜在应用，将需要数百万个量子比特。问题在于，任何想要同时操控数百万个特定类型量子比特的人，都会面临一个难题：如何控制数百万束激光。

这正是参与 “MITRE 量子登月计划” 项目的科学家所面临的挑战。该项目汇聚了来自 MITRE 公司、麻省理工学院、科罗拉多大学博尔德分校以及桑迪亚国家实验室的科研人员。他们研发出的解决方案是一种图像投影技术，而这项技术经研究发现，还能解决增强现实、生物医学成像等诸多领域的其他难题。该设备是一块面积仅 1 平方毫米的光子芯片，可将《蒙娜丽莎》投影到比两个人类卵细胞还小的区域上。

“项目启动之初，我们绝对没想到会研发出一项可能颠覆成像领域的技术。” 马特・艾肯菲尔德说道。

他是该量子登月计划的负责人之一，该合作研究项目致力于研发可扩展的金刚石基量子计算机，同时他也是科罗拉多大学博尔德分校的量子工程学教授。这款芯片每秒可投射 6860 万个独立光点 —— 为区别于物理像素，这类光点被称作可扫描像素。其性能是微机电系统（MEMS）微镜阵列等传统技术的 50 多倍。

“我们现已研发出衍射极限下的极致可扫描像素。” 麻省理工学院访问研究员、QuEra 计算公司光子工程师温亨利表示。

这款芯片的核心特色是微型悬臂阵列，这些微米级悬臂在电压作用下会偏离芯片平面发生弯曲，如同为光线搭建的微型 “跳台滑道”。光线通过波导沿每根悬臂传输，并从悬臂顶端射出。悬臂中含有一层薄氮化铝，这种压电材料在电压作用下会发生伸缩，带动微型机械上下运动，使阵列能在二维平面内扫描光束。

尽管团队取得了重大突破，但艾肯菲尔德表示，悬臂的设计与制造过程 “相当顺利”。每根悬臂由数层亚微米级材料堆叠而成，静止时会偏离芯片平面弯曲约 90 度。为实现如此大的弯曲度，团队利用了制造过程中材料内部物理应力导致各层伸缩程度不同的特性。材料最初平整沉积在芯片上，随后移除悬臂下方的芯片层，让材料应力发挥作用，使悬臂脱离芯片并向外弯曲。每根悬臂的顶层还设有一系列与波导垂直的二氧化硅条，既能防止悬臂沿宽度方向卷曲，又能增强其长度方向的弯曲度。

比芯片设计本身更具挑战的，是攻克芯片实际投射图像与视频的技术细节。参与该项目的 MITRE 公司研究员安迪・格林斯彭称，协调悬臂运动与光束的时序，实现精准配色与同步投射，是一项艰巨的工作。如今，团队已成功通过单根悬臂投射出多段视频，其中包括动画片《查理・布朗的圣诞节》的片段。

由于这款芯片在单位时间内可投射的光点数量远超以往任何光束扫描仪，它还能用于操控量子计算机中更多的量子比特。温亨利解释道，量子登月计划的目标是打造可扩展至数百万量子比特的量子计算机，显然需要一种可规模化的方式操控每个量子比特。团队发现，无需为每个量子比特单独配备一束激光，也不必在每一时刻都操控所有量子比特。这款芯片可在二维平面内移动光束的特性，让研究人员能用远少于以往数量的激光，实现对全部量子比特的操控。

温亨利认为，这款芯片还能优化 3D 打印的物体扫描工艺。目前该工艺通常采用单束激光扫描物体整个表面，而新型芯片有望同时使用数千束激光。“原本需要数小时的工序，如今或许能缩短至几分钟。” 他说道。

温亨利还对探索不同悬臂形状的潜力充满期待。通过调整与波导垂直的条状物方向，团队已能让悬臂卷曲成螺旋状。他表示，这类特殊形状可用于研发细胞生物学或药物研发领域的芯片实验室。“这类技术大多与成像相关，通过激光扫描实现成像或激发特定反应。我们可以让这些‘跳台滑道’不仅向上弯曲，还能回旋卷曲，进而移动扫描样本。” 温亨利解释道，“只要你能构想出有用的结构，我们都可以尝试实现。”

（来源：IEEE ）

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