懸臂上的光之舞！一塊芯片如何讓激光掃描，從小時縮短到分鐘？

據多方估算，量子計算機要在網絡安全、藥物研發及其他行業實現其潛在應用，將需要數百萬個量子比特。問題在于，任何想要同時操控數百萬個特定類型量子比特的人，都會面臨一個難題：如何控制數百萬束激光。

這正是參與 “MITRE 量子登月計劃” 項目的科學家所面臨的挑戰。該項目匯聚了來自 MITRE 公司、麻省理工學院、科羅拉多大學博爾德分校以及桑迪亞國家實驗室的科研人員。他們研發出的解決方案是一種圖像投影技術，而這項技術經研究發現，還能解決增強現實、生物醫學成像等諸多領域的其他難題。該設備是一塊面積僅 1 平方毫米的光子芯片，可將《蒙娜麗莎》投影到比兩個人類卵細胞還小的區域上。

“項目啟動之初，我們絕對沒想到會研發出一項可能顛覆成像領域的技術。” 馬特?艾肯菲爾德說道。

他是該量子登月計劃的負責人之一，該合作研究項目致力于研發可擴展的金剛石基量子計算機，同時他也是科羅拉多大學博爾德分校的量子工程學教授。這款芯片每秒可投射 6860 萬個獨立光點 —— 為區別于物理像素，這類光點被稱作可掃描像素。其性能是微機電系統（MEMS）微鏡陣列等傳統技術的 50 多倍。

“我們現已研發出衍射極限下的極致可掃描像素。” 麻省理工學院訪問研究員、QuEra 計算公司光子工程師溫亨利表示。

這款芯片的核心特色是微型懸臂陣列，這些微米級懸臂在電壓作用下會偏離芯片平面發生彎曲，如同為光線搭建的微型 “跳臺滑道”。光線通過波導沿每根懸臂傳輸，并從懸臂頂端射出。懸臂中含有一層薄氮化鋁，這種壓電材料在電壓作用下會發生伸縮，帶動微型機械上下運動，使陣列能在二維平面內掃描光束。

盡管團隊取得了重大突破，但艾肯菲爾德表示，懸臂的設計與制造過程 “相當順利”。每根懸臂由數層亞微米級材料堆疊而成，靜止時會偏離芯片平面彎曲約 90 度。為實現如此大的彎曲度，團隊利用了制造過程中材料內部物理應力導致各層伸縮程度不同的特性。材料最初平整沉積在芯片上，隨后移除懸臂下方的芯片層，讓材料應力發揮作用，使懸臂脫離芯片并向外彎曲。每根懸臂的頂層還設有一系列與波導垂直的二氧化硅條，既能防止懸臂沿寬度方向卷曲，又能增強其長度方向的彎曲度。

比芯片設計本身更具挑戰的，是攻克芯片實際投射圖像與視頻的技術細節。參與該項目的 MITRE 公司研究員安迪?格林斯彭稱，協調懸臂運動與光束的時序，實現精準配色與同步投射，是一項艱巨的工作。如今，團隊已成功通過單根懸臂投射出多段視頻，其中包括動畫片《查理?布朗的圣誕節》的片段。

由于這款芯片在單位時間內可投射的光點數量遠超以往任何光束掃描儀，它還能用于操控量子計算機中更多的量子比特。溫亨利解釋道，量子登月計劃的目標是打造可擴展至數百萬量子比特的量子計算機，顯然需要一種可規模化的方式操控每個量子比特。團隊發現，無需為每個量子比特單獨配備一束激光，也不必在每一時刻都操控所有量子比特。這款芯片可在二維平面內移動光束的特性，讓研究人員能用遠少于以往數量的激光，實現對全部量子比特的操控。

溫亨利認為，這款芯片還能優化 3D 打印的物體掃描工藝。目前該工藝通常采用單束激光掃描物體整個表面，而新型芯片有望同時使用數千束激光。“原本需要數小時的工序，如今或許能縮短至幾分鐘。” 他說道。

溫亨利還對探索不同懸臂形狀的潛力充滿期待。通過調整與波導垂直的條狀物方向，團隊已能讓懸臂卷曲成螺旋狀。他表示，這類特殊形狀可用于研發細胞生物學或藥物研發領域的芯片實驗室。“這類技術大多與成像相關，通過激光掃描實現成像或激發特定反應。我們可以讓這些‘跳臺滑道’不僅向上彎曲，還能回旋卷曲，進而移動掃描樣本。” 溫亨利解釋道，“只要你能構想出有用的結構，我們都可以嘗試實現。”