具備可擴(kuò)展平臺的光學(xué)相位調(diào)制器是實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的核心器件。量子計算機(jī)需通過數(shù)千乃至數(shù)百萬個獨立通道對每個量子比特進(jìn)行精準(zhǔn)操控，這就要求光學(xué)相位調(diào)制器同時滿足規(guī)?；苽渑c高性能的核心需求。近日，美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校研究人員與桑迪亞國家實驗室合作，成功研制出一款芯片集成式光學(xué)相位調(diào)制器。該器件在維持高效調(diào)制性能的前提下，可實現(xiàn)高光學(xué)功率處理，且基于主流互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）微電子制造技術(shù)制備，為大規(guī)模量子計算的工程化實現(xiàn)提供了突破性解決方案。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。

    研究表明，該新型片上聲光相位調(diào)制器采用波長尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過將壓電換能器與光子波導(dǎo)集成，實現(xiàn)了對傳播光模式和電激發(fā)呼吸模式機(jī)械共振的同步約束。器件借助微波頻率振動（振動頻率達(dá)數(shù)十億次/秒），可對光纖陣列輸入的激光束進(jìn)行高精度調(diào)控，并直接實現(xiàn)光束相位的精準(zhǔn)調(diào)制（相關(guān)光學(xué)芯片實物圖由研究員JakeFreedman提供）。

    為強(qiáng)化光機(jī)械相互作用，研究團(tuán)隊通過優(yōu)化器件幾何結(jié)構(gòu)，在2mm尺寸的器件中獲得了優(yōu)異性能：在2.31吉赫（GHz）微波信號激勵下，以80毫瓦（mW）的功率實現(xiàn)了4.85弧度（rad）的調(diào)制深度。尤為關(guān)鍵的是，該器件僅需1.3V左右的電壓即可實現(xiàn)共振調(diào)制，相較于當(dāng)前量子控制領(lǐng)域主流調(diào)制器，所需電壓降低15倍，微波功率消耗減少100倍，是目前已報道的電壓最低的聲光相位調(diào)制器。

    該調(diào)制器針對性設(shè)計用于捕獲離子與捕獲中性原子量子計算系統(tǒng)。在這類量子計算架構(gòu)中，信息存儲于單個原子內(nèi)，激光束承擔(dān)原子指令傳輸功能，且單束激光的頻率調(diào)諧精度需控制在千分之一量級。研究員JakeFreedman指出：“生成具有高精度頻率差異的激光副本是操控原子基與離子基量子計算機(jī)的核心技術(shù)之一，而規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵在于開發(fā)高效的新頻率生成技術(shù)。”

    當(dāng)前，激光頻率偏移的實現(xiàn)主要依賴桌面級設(shè)備，此類設(shè)備存在微波功率消耗大、可擴(kuò)展性差等問題，僅適用于小型實驗室實驗及少量子比特量子計算機(jī)，無法滿足未來大規(guī)模量子計算對數(shù)千乃至數(shù)萬個光學(xué)通道的需求。MattEichenfield教授指出：“基于10萬個批量電光調(diào)制器及大型光學(xué)平臺構(gòu)建量子計算機(jī)不具備工程可行性，需開發(fā)具備可擴(kuò)展性的制備方案，實現(xiàn)無手工組裝、短光路集成；將功能集成于少量微芯片并降低百倍以上發(fā)熱量，是提升大規(guī)模量子計算實現(xiàn)概率的關(guān)鍵路徑。”

    此次研發(fā)的片上聲光相位調(diào)制器在新頻率生成過程中的微波功率消耗僅為商用調(diào)制器的1/80，顯著降低了器件發(fā)熱量，為多通道緊密集成（甚至單芯片集成）提供了可能。為保障規(guī)?；苽淠芰Γ芯繄F(tuán)隊基于200mm晶圓，通過CMOS批量晶圓代工廠完成了器件制備。Eichenfield教授表示：“CMOS制造技術(shù)是目前人類掌握的可擴(kuò)展性最優(yōu)的制造技術(shù)，手機(jī)、計算機(jī)等電子設(shè)備中的微電子芯片均通過該技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)十億個高一致性晶體管的集成?；贑MOS工藝，未來可實現(xiàn)數(shù)千乃至數(shù)百萬個相同光子器件的批量制備，完全匹配大規(guī)模量子計算的器件需求。”

    相較于現(xiàn)有器件，該下一代光學(xué)相位調(diào)制器具有更低功耗、更低成本及更高集成度的優(yōu)勢。研究人員尼爾斯·奧特斯特羅姆指出：“本研究推動光學(xué)技術(shù)向‘晶體管革命’方向演進(jìn)，助力光學(xué)系統(tǒng)擺脫類真空管式的傳統(tǒng)形態(tài)，邁向可擴(kuò)展集成光子技術(shù)階段。”

    目前，研究團(tuán)隊正開展全集成光子電路的研發(fā)工作，旨在實現(xiàn)頻率生成、濾波及脈沖雕刻功能的單芯片集成，推動全功能光子芯片的工程化落地。未來，團(tuán)隊計劃與量子計算企業(yè)合作，在先進(jìn)原子基與離子基量子計算機(jī)中開展芯片級測試。

    Freedman強(qiáng)調(diào)：“該器件是實現(xiàn)可擴(kuò)展量子計算的關(guān)鍵核心器件之一，當(dāng)前研究已逐步接近可實現(xiàn)海量量子比特精準(zhǔn)操控的可擴(kuò)展光子平臺目標(biāo)。”

    “這款器件是實現(xiàn)可擴(kuò)展量子計算的關(guān)鍵拼圖之一，”Freedman總結(jié)道，“我們正逐步接近一個真正可擴(kuò)展的光子平臺，有望實現(xiàn)對海量量子比特的精準(zhǔn)操控。”