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美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校與桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)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(lèi)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(lái)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)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(jì)算方案中，量子信息存儲(chǔ)于單個(gè)原子中。為了操控這些量子比特，研究人員需要通過(guò)高度穩(wěn)定、頻率精確的激光束，與每一個(gè)原子“對(duì)話”，向它們下達(dá)執(zhí)行計(jì)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(duì)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(lài)體積龐大的桌面級(jí)電光調(diào)制器，不僅功耗高、發(fā)熱大，而且難以擴(kuò)展到成千上萬(wàn)條光學(xué)通道，成為制約量子計(jì)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(dòng)，對(duì)激光相位進(jìn)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(shí)驗(yàn)顯示，該器件在實(shí)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(jìn)行統(tǒng)一而精確的協(xié)調(diào)控制，形成一種強(qiáng)大且可擴(kuò)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(jì)算的實(shí)現(xiàn)。

這一器件并非實(shí)驗(yàn)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)?；芰Φ闹圃旒夹g(shù)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、計(jì)算機(jī)和各類(lèi)電子設(shè)備中。

這一成果有望推動(dòng)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(tái)。