北京
新型光學(xué)相位調(diào)制器有望突破下一代量子計算機(jī)所需的大規(guī)模量子比特數(shù)限制。
一款比人類發(fā)絲更細(xì)的芯片，可能成為實現(xiàn)真正可擴(kuò)展量子計算機(jī)的關(guān)鍵突破。研究人員近日展示了一種新型光學(xué)相位調(diào)制器，其尺寸不足頭發(fā)寬度的百分之一，這項技術(shù)有望最終解鎖下一代量子機(jī)器所需的海量量子比特集成能力。
這一進(jìn)展專為規(guī)?；O(shè)計。研究團(tuán)隊摒棄了龐大且需定制的大型硬件，轉(zhuǎn)而采用與日常微電子設(shè)備（如電腦、手機(jī)、汽車甚至烤面包機(jī)中的芯片）相同的制造工藝來制造該器件。
在電氣、計算機(jī)與能源工程系即將入學(xué)的博士生杰克·弗里德曼、量子工程學(xué)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(lǐng)下，團(tuán)隊成功研制出一款微小而強(qiáng)大，且關(guān)鍵在于可大規(guī)模生產(chǎn)的器件。
該調(diào)制器利用每秒振動數(shù)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(shù)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(wěn)定性和高效率生成新頻率——這些功能對量子計算、傳感和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)至關(guān)重要。囚禁離子和囚禁中性原子系統(tǒng)是當(dāng)前主流的量子架構(gòu)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(diào)諧激光束進(jìn)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(jī)最重要的工具之一。但要實現(xiàn)規(guī)?；托枰芨咝Мa(chǎn)生這些新頻率的技術(shù)?！?/p>
目前的頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)依賴大型桌面設(shè)備，消耗高功率微波能量，這雖適用于實驗室演示，卻無法擴(kuò)展至未來量子計算機(jī)所需的數(shù)十萬個光學(xué)通道。“我們不可能用十萬個龐大的電光調(diào)制器堆滿整個光學(xué)平臺倉庫來建造量子計算機(jī)，”艾肯菲爾德指出，“必須找到更具可擴(kuò)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(yè)調(diào)制器低約80倍，并通過高效的相位調(diào)制產(chǎn)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(guī)?；男酒圃?/strong>
這項突破的關(guān)鍵在于制造方式：完全在半導(dǎo)體代工廠完成?！癈MOS制造是人類有史以來最具擴(kuò)展性的技術(shù)，”艾肯菲爾德解釋道，“因此通過CMOS工藝，未來我們可以生產(chǎn)數(shù)千甚至數(shù)百萬個完全相同的光子器件……”
奧特斯特羅姆認(rèn)為，團(tuán)隊將原本“昂貴且功耗巨大”的設(shè)備變得高效緊湊?！拔覀冋苿庸鈱W(xué)領(lǐng)域迎來自身的‘晶體管革命’?！?/p>
接下來，研究人員計劃構(gòu)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(guān)鍵部分之一，”弗里德曼說，“我們距離實現(xiàn)能操控海量量子比特的真正可擴(kuò)展光子平臺越來越近?！?/p>
此項研究由美國能源部通過“量子系統(tǒng)加速器”計劃資助，成果發(fā)表于《自然·通訊》期刊。
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