这个小芯片或将改变量子计算的未来

设备的制造方式与其尺寸同样重要。研究人员没有依赖定制的实验室设备，而是采用了可扩展的制造方法，这种方法与生产计算机、智能手机、汽车及家用电器（实际上是任何电力驱动技术，甚至烤面包机）中处理器的方法类似，这使得该设备更易于大规模生产。

这款面向实际应用的微型设备由即将入学的电气、计算机与能源工程系博士生杰克·弗里德曼牵头，与量子工程学教授、卡尔·古斯塔夫森讲席教授马特·艾肯菲尔德共同领导研发。团队还与桑迪亚国家实验室的科学家合作，其中包括共同资深作者尼尔斯·奥特斯特伦。他们共同打造出集小尺寸、高性能和低成本于一体的设备，适合大规模生产。

该技术的核心是每秒振动数十亿次的微波频率振动，这些振动使芯片能以极高精度操控激光。通过直接控制激光束的相位，设备可生成稳定且高效的新激光频率。这种控制水平不仅是量子计算的关键要求，也是量子传感、量子网络等新兴领域的关键需求。

为何量子计算机需要超精密激光呢？一些最具前景的量子计算设计采用被困离子或被困中性原子存储信息，在这些系统中，每个原子充当量子比特。研究人员通过向原子发射精密调谐的激光束与其相互作用，发出计算指令。为此，每束激光需极其精确地调整，有时精度需达十亿分之一。

弗里德曼表示：“生成频率差极精确的新激光副本是研究原子和离子基量子计算机的重要工具，但要规模化，需高效生成这些新频率的技术。”目前，精确频率偏移由大型台式设备产生，需大量微波功率，虽适用于小型实验，但对未来量子计算机所需的大量光学通道不实用。

艾肯菲尔德说：“不可能用10万个大型电光调制器和堆满光学平台的仓库造量子计算机。需更具可扩展性的制造方法，无需手工组装和长光路。若能集成到小型微芯片且产热减少100倍，成功可能性更大。”

新设备通过高效相位调制产生激光频率偏移，微波功率消耗比许多现有商用调制器低约80倍。低能耗意味着少产热，可使更多通道紧密排列，甚至集成到单个芯片。这些优势使芯片成为可扩展系统，能协调原子进行量子计算所需的精确相互作用。

该项目最重要的成就之一是设备完全在制造工厂（晶圆厂）生产，与先进微电子设备的生产环境相同。艾肯菲尔德称：“CMOS制造工艺是人类发明的最具可扩展性的技术。每部手机或计算机的微电子芯片都有数十亿个基本相同的晶体管。因此，未来用CMOS制造工艺可生产数千甚至数百万个相同的光子设备，这正是量子计算所需。”

奥特斯特伦表示，团队重新设计了曾体积大、昂贵且能耗高的调制器技术，使其更小、更高效、更易集成。“我们正推动光学领域迎来‘晶体管革命’，摆脱‘真空管时代’，迈向可扩展集成光子技术。”

研究人员目前正研发全集成光子电路，将频率生成、滤波和脉冲整形集成到单个芯片，使领域更接近完整可运行的量子光子平台。接下来计划与量子计算公司合作，在先进被困离子和中性原子量子计算机中测试芯片。弗里德曼说：“这种设备是拼图的最后几块之一，我们正接近能控制大量量子比特的真正可扩展光子平台。”该项目得到美国能源部通过量子系统加速器计划（国家量子计划科学研究中心项目）的支持。