研究人员在量子计算领域取得重大进展，开发出一种厚度比人类头发丝细近100倍的微型芯片。该成果发表于《自然·通讯》期刊，介绍了一种新型光学相位调制器，能精确控制激光。这一能力对于运行未来依赖数千甚至数百万量子比特的量子计算机至关重要。
与其尺寸同样重要的是其制造方式。研究团队没有依赖定制化的实验室设备，而是采用了类似生产计算机、智能手机、车辆和家用电器（甚至包括烤面包机）中处理器的可扩展制造方法。这种方法使该设备更易于大规模生产。
为实际规模构建的微型设备
这项研究由杰克·弗里德曼（即将入学电气、计算机与能源工程系的博士生）与马特·艾肯菲尔德教授（卡尔·古斯塔夫森量子工程讲席教授）共同领导。团队还与某国家实验室的科学家合作，共同创造了一种兼具小尺寸、高性能和低成本的设备，适合大规模生产。
该技术的核心是每秒振荡数十亿次的微波频率振动。这些振动使芯片能够以极高的精度操纵激光。
通过直接控制激光束的相位，该设备可以产生稳定且高效的新的激光频率。这种控制水平不仅是量子计算的关键要求，也是量子传感和量子网络等新兴领域所必需的。
为什么量子计算机需要超高精度激光
一些最有前景的量子计算机设计使用囚禁离子或囚禁中性原子来存储信息。在这些系统中，每个原子作为一个量子比特。研究人员通过将精心调谐的激光束对准这些原子来与它们交互，从而发出指令进行计算。为此，每束激光都必须以极高的精度进行调整，有时精度需达到十亿分之一以内。
“以极精确的频率差创建激光的新副本，是处理原子和离子基量子计算机最重要的工具之一，”弗里德曼说。“但要大规模实现这一点，你需要能高效产生这些新频率的技术。”
目前，这些精确的频率偏移是使用大型台式设备产生的，这些设备需要大量的微波功率。虽然对小型实验有效，但这些系统对于未来量子计算机所需的大量光学通道来说不切实际。
“你不可能在一个装满光学平台的仓库里，用10万个笨重的电光调制器来建造一台量子计算机，”艾肯菲尔德说。“你需要更可扩展的制造方法，这些方法不需要手工组装和长光路。同时，如果你能让它们都集成在几个微型芯片上，并产生100倍更少的热量，你就更有可能成功。”
更低功耗、更少热量、更多量子比特
新设备通过高效的相位调制产生激光频率偏移，同时使用的微波功率比许多现有商用调制器低约80倍。更低的功耗意味着更少的热量，这使得更多的通道可以紧密地封装在一起，甚至集成到单个芯片上。
这些优势共同将这款芯片转变为一个可扩展的系统，能够协调原子执行量子计算所需的精确相互作用。
采用与现代微芯片相同的技术制造
该项目最重要的成就之一是，该设备完全在制造厂内制造完成，这与生产先进微电子器件的环境相同。
“CMOS制造是人类有史以来发明的最可扩展的技术，”艾肯菲尔德说。“每部手机或计算机中的每个微电子芯片上都有数十亿个基本相同的晶体管。因此，通过使用CMOS制造，我们未来可以生产数千甚至数百万个相同版本的光子器件，这正是量子计算所需要的。”
据奥特斯特罗姆称，团队将曾经笨重、昂贵且功耗高的调制器技术重新设计得更小、更高效、更易于集成。
“我们正在帮助推动光学技术进入其自身的‘晶体管革命’，从相当于真空管的光学技术转向可扩展的集成光子技术，”奥特斯特罗姆说。
迈向完全集成的量子光子芯片
研究人员目前正致力于开发完全集成的光子电路，将频率生成、滤波和脉冲整形功能集成在单个芯片上。这一努力使该领域更接近一个完整的、可操作的量子光子平台。
接下来，团队计划与量子计算公司合作，在先进的囚禁离子和囚禁中性原子量子计算机中测试这些芯片。
“该设备是拼图的最后一块之一，”弗里德曼说。“我们正接近一个真正可扩展的光子平台，该平台能够控制数量非常庞大的量子比特。”
该项目得到了美国能源部通过量子系统加速器计划的支持。FINISHED
