利用光纖陣列發(fā)出激光的光學(xué)芯片。圖片來源：美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校
科技日報北京12月15日電（記者 張佳欣）美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校與桑迪亞國家實驗室聯(lián)合研究團隊研制出一種超微型光學(xué)相位調(diào)制器，其尺寸幾乎只有人類發(fā)絲直徑的百分之一，卻能以極低功耗、極高精度操控激光頻率，為未來大規(guī)模量子計算機提供核心支撐。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《自然·通訊》。
在當(dāng)前主流的離子阱和中性原子阱量子計算方案中，量子信息存儲于單個原子中。為了操控這些量子比特，研究人員需要通過高度穩(wěn)定、頻率精確的激光束，與每一個原子“對話”，向它們下達執(zhí)行計算的指令。每一束激光的頻率往往需要精確到十億分之一甚至更高，這對光學(xué)調(diào)制器提出了極高要求。
然而，現(xiàn)有頻率調(diào)制通常依賴體積龐大的桌面級電光調(diào)制器，不僅功耗高、發(fā)熱大，而且難以擴展到成千上萬條光學(xué)通道，成為制約量子計算規(guī)模化的關(guān)鍵瓶頸。
此次研發(fā)的新型光學(xué)相位調(diào)制器，利用每秒振蕩數(shù)十億次的微波頻率振動，對激光相位進行精確控制，從而在芯片上高效產(chǎn)生穩(wěn)定的新激光頻率。實驗顯示，該器件在實現(xiàn)相同功能的情況下，微波功耗僅為多種商用調(diào)制器的約1/80。
更低的功耗意味著更少的發(fā)熱，使得更多光學(xué)通道可以緊密排列，甚至集成在同一塊芯片上。在此基礎(chǔ)上，研究人員能夠?qū)Υ罅吭铀璧募す忸l率和相位進行統(tǒng)一而精確的協(xié)調(diào)控制，形成一種強大且可擴展的原子操控系統(tǒng)，正是這些復(fù)雜而精密的操作，支撐著量子計算的實現(xiàn)。
這一器件并非實驗室“定制品”，而是完全采用CMOS工藝在晶圓廠中制造。CMOS是現(xiàn)代芯片產(chǎn)業(yè)最成熟、最具規(guī)模化能力的制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于手機、計算機和各類電子設(shè)備中。
這一成果有望推動光學(xué)技術(shù)從體積龐大、能耗高的傳統(tǒng)光學(xué)器件，邁向高度集成、低功耗的光子芯片平臺。
