新型片上光学相位调制器问世 破解大规模量子计算扩展瓶颈

    具备可扩展平台的光学相位调制器是实现大规模量子计算的核心器件。量子计算机需通过数千乃至数百万个独立通道对每个量子比特进行精准操控，这就要求光学相位调制器同时满足规模化制备与高性能的核心需求。近日，美国科罗拉多大学博尔德分校研究人员与桑迪亚国家实验室合作，成功研制出一款芯片集成式光学相位调制器。该器件在维持高效调制性能的前提下，可实现高光学功率处理，且基于主流互补金属氧化物半导体（CMOS）微电子制造技术制备，为大规模量子计算的工程化实现提供了突破性解决方案。相关研究成果已发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊。

    研究表明，该新型片上声光相位调制器采用波长尺度结构设计，通过将压电换能器与光子波导集成，实现了对传播光模式和电激发呼吸模式机械共振的同步约束。器件借助微波频率振动（振动频率达数十亿次/秒），可对光纤阵列输入的激光束进行高精度调控，并直接实现光束相位的精准调制（相关光学芯片实物图由研究员JakeFreedman提供）。

    为强化光机械相互作用，研究团队通过优化器件几何结构，在2mm尺寸的器件中获得了优异性能：在2.31吉赫（GHz）微波信号激励下，以80毫瓦（mW）的功率实现了4.85弧度（rad）的调制深度。尤为关键的是，该器件仅需1.3V左右的电压即可实现共振调制，相较于当前量子控制领域主流调制器，所需电压降低15倍，微波功率消耗减少100倍，是目前已报道的电压最低的声光相位调制器。

    该调制器针对性设计用于捕获离子与捕获中性原子量子计算系统。在这类量子计算架构中，信息存储于单个原子内，激光束承担原子指令传输功能，且单束激光的频率调谐精度需控制在千分之一量级。研究员JakeFreedman指出：“生成具有高精度频率差异的激光副本是操控原子基与离子基量子计算机的核心技术之一，而规模化应用的关键在于开发高效的新频率生成技术。”

    当前，激光频率偏移的实现主要依赖桌面级设备，此类设备存在微波功率消耗大、可扩展性差等问题，仅适用于小型实验室实验及少量子比特量子计算机，无法满足未来大规模量子计算对数千乃至数万个光学通道的需求。MattEichenfield教授指出：“基于10万个批量电光调制器及大型光学平台构建量子计算机不具备工程可行性，需开发具备可扩展性的制备方案，实现无手工组装、短光路集成；将功能集成于少量微芯片并降低百倍以上发热量，是提升大规模量子计算实现概率的关键路径。”

    此次研发的片上声光相位调制器在新频率生成过程中的微波功率消耗仅为商用调制器的1/80，显著降低了器件发热量，为多通道紧密集成（甚至单芯片集成）提供了可能。为保障规模化制备能力，研究团队基于200mm晶圆，通过CMOS批量晶圆代工厂完成了器件制备。Eichenfield教授表示：“CMOS制造技术是目前人类掌握的可扩展性最优的制造技术，手机、计算机等电子设备中的微电子芯片均通过该技术实现了数十亿个高一致性晶体管的集成。基于CMOS工艺，未来可实现数千乃至数百万个相同光子器件的批量制备，完全匹配大规模量子计算的器件需求。”

    相较于现有器件，该下一代光学相位调制器具有更低功耗、更低成本及更高集成度的优势。研究人员尼尔斯·奥特斯特罗姆指出：“本研究推动光学技术向‘晶体管革命’方向演进，助力光学系统摆脱类真空管式的传统形态，迈向可扩展集成光子技术阶段。”

    目前，研究团队正开展全集成光子电路的研发工作，旨在实现频率生成、滤波及脉冲雕刻功能的单芯片集成，推动全功能光子芯片的工程化落地。未来，团队计划与量子计算企业合作，在先进原子基与离子基量子计算机中开展芯片级测试。

    Freedman强调：“该器件是实现可扩展量子计算的关键核心器件之一，当前研究已逐步接近可实现海量量子比特精准操控的可扩展光子平台目标。”

    “这款器件是实现可扩展量子计算的关键拼图之一，”Freedman总结道，“我们正逐步接近一个真正可扩展的光子平台，有望实现对海量量子比特的精准操控。”