量子計算重大突破：關鍵器件尺寸縮小至僅為人類頭發(fā)的百分之一

一種全新的芯片級器件實現(xiàn)了對激光頻率前所未有的精確控制，而這正是大規(guī)模量子計算的關鍵要素之一。

美國科羅拉多大學與桑迪亞國家實驗室的科學家在量子計算領域取得了一項重要進展：他們開發(fā)出了一種體積極其微小的器件，其厚度幾乎比人類頭發(fā)細100倍。

這項成果發(fā)表在《Nature Communications（自然·通訊）》期刊上，其核心是一種新型光學相位調(diào)制器，能夠?qū)す膺M行極其精確的控制。這一能力對于未來的量子計算機至關重要——真正實用的量子計算機將需要成千上萬，甚至數(shù)百萬個量子比特（qubit，量子信息的基本單元）來完成復雜計算。

這項研究由杰克·弗里德曼（Jake Freedman）領銜，他是科羅拉多大學博爾德分校電氣、計算機與能源工程系即將入學的博士生；同時由該校教授、量子工程“卡爾·古斯塔夫森”冠名講席的馬特·艾肯菲爾德（Matt Eichenfield）共同領導。研究團隊還與桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）的研究人員合作，其中包括共同資深作者尼爾斯·奧特斯特倫（Nils Otterstrom），共同開發(fā)出一種在體積極小的同時具備強大性能，并且能夠以低成本實現(xiàn)大規(guī)模制造的器件。

可規(guī)模化制造是突破的關鍵，這項成就的一個關鍵點在于器件的制造方式。

研究團隊沒有采用昂貴、手工定制的特殊元件，而是使用了可規(guī)模化的制造工藝，其原理與計算機、手機、汽車以及家用電器（幾乎所有依賴電力運行的設備，甚至包括烤面包機）中處理器的制造方式相同。

研究團隊成功打造了一種體積極小、性能強大、同時又能低成本大規(guī)模生產(chǎn)的器件。

芯片如何工作

該芯片通過產(chǎn)生微波頻率的機械振動來工作——這些振動每秒振蕩數(shù)十億次，并被用來以極高精度控制激光光束。

借助這些高速振動，器件可以精確調(diào)節(jié)激光的相位，并以極高的穩(wěn)定性和效率生成新的激光頻率。

這些能力被認為是推動量子計算以及新興領域如量子傳感和量子網(wǎng)絡發(fā)展的關鍵基礎技術。

為什么量子計算依賴精確的光學頻率控制

在目前最有前景的量子計算路線中，囚禁離子（trapped-ion）和囚禁中性原子（trapped-neutral-atom）系統(tǒng)占據(jù)重要位置，它們將信息存儲在單個原子中。

為了操控這些量子比特，研究人員需要使用高度精確的激光束與每一個原子“對話”，向它們下達計算指令。

每一束激光的頻率都必須進行極端精確的調(diào)諧，誤差往往需要控制在十億分之一甚至更小的范圍內(nèi)。

以非常精確的頻率差生成激光的多個副本，是操控原子和離子量子計算機最重要的工具之一。但是，如果要實現(xiàn)大規(guī)模應用，就必須有一種能夠高效生成這些新頻率的技術。

當前技術的瓶頸

如今，這種頻率轉(zhuǎn)換主要依賴體積龐大的桌面級設備，不僅占用空間大，而且需要消耗大量微波功率。

這些系統(tǒng)在小規(guī)模實驗室研究和少量量子比特的量子計算機中運行良好，但無法擴展到未來量子計算機所需的數(shù)萬甚至數(shù)十萬個光學通道。因為我們不可能在一個倉庫大小的光學平臺上，擺放10萬個笨重的電光調(diào)制器來構(gòu)建量子計算機，而
需要一種真正可規(guī)模化的制造方式，不依賴手工組裝，也不需要很長的光路。更重要的是，如果它們能被集成到幾塊小型芯片上，同時產(chǎn)生的熱量減少100倍，那么成功的可能性將大大提高。

高效、低功耗、可高度集成

該芯片通過高效的相位調(diào)制來生成新的光頻，其所需的微波功率比許多商業(yè)調(diào)制器低約80倍。

更低的功耗意味著更少的發(fā)熱，也使得更多通道能夠緊密集成，甚至集成在同一塊芯片上。

這些特性使該芯片成為一個強大、可擴展的系統(tǒng)，能夠管理原子在量子計算中所需完成的復雜“舞蹈”。

采用全球最具規(guī)模化潛力的制造技術

該項目最重要的亮點之一是：整個器件完全在“晶圓廠（fab）”中制造，即與先進微電子芯片相同的生產(chǎn)設施。“CMOS 制造工藝是人類歷史上最具規(guī)模化能力的技術，每一塊手機或電腦芯片上，都有數(shù)十億個幾乎完全相同的晶體管。通過 CMOS 工藝，未來可以生產(chǎn)成千上萬甚至數(shù)百萬個完全一致的光子器件——這正是量子計算真正需要的。

研究團隊將原本昂貴、耗能高、體積龐大的調(diào)制器，轉(zhuǎn)變?yōu)楦痈咝А⒕o湊的器件。

研究人員正在推動光學領域迎來屬于它自己的‘晶體管革命’，從類似真空管的光學技術，邁向真正可規(guī)模化的集成光子技術。

邁向完整量子光子芯片

目前，團隊正研發(fā)高度集成的光子電路，將頻率生成、濾波以及脈沖整形整合在同一塊芯片上，使“完整可運行芯片”的目標更加接近現(xiàn)實。

接下來，他們將與量子計算公司合作，在最先進的囚禁原子與囚禁中性原子量子計算機中測試這些芯片。

這款器件是拼圖中最后幾塊關鍵部件之一，他們已經(jīng)非常接近完成一個真正可擴展的光子平臺，能夠控制數(shù)量極其龐大的量子比特。