研究人員開發出一種比人類頭髮絲細近 100 倍的設備，在量子計算領域取得了重大進展。作品發表在期刊上 自然交流推出一種新型光學相位調製器，旨在精確控制激光。這種能力對於運行可能需要數千甚至數百萬量子位的未來量子計算機至關重要。它是用於存儲和處理量子信息的基本單位。
與尺寸一樣重要的是設備的製造方式。研究人員沒有依賴定制的實驗室設備，而是使用了一種可擴展的製造方法，類似於生產計算機、智能手機、車輛和家用電器中的處理器的方法。基本上任何技術。使用電能（甚至烤麵包機）這種方法使該設備在大規模生產中更有用。
專為現實世界規模打造的小型設備
這項研究由電氣、計算機和能源工程博士生 Jake Freedman 以及量子工程教授兼 Karl Gustafson 講座教授 Matt Eichenfield 領導。該團隊還與桑迪亞國家實驗室的科學家合作，包括共同高級作者尼爾斯·奧特斯特羅姆(Nils Otterstrom)。他們共同創造了一種兼具小尺寸的設備。高效率和低成本使其非常適合大規模生產。
這項技術的核心是每秒振動數十億次的微波頻率振動。這些振動使芯片能夠以極高的精度控制激光。
通過直接控制激光束的相位，該設備將能夠創建既穩定又高效的新激光頻率。這種控制水平不僅是量子計算的關鍵要求。還有量子傳感和量子網絡等新興領域。
為什麼量子計算機需要高精度激光器？
一些最有前途的量子計算機設計使用捕獲離子或捕獲中性原子來存儲信息。在這些系統中，每個原子都充當一個量子位。研究人員通過將精心調諧的激光束瞄準這些原子來與它們相互作用。並提供建議，幫助有效地進行計算以獲得結果 每個激光器都必須進行高精度調整。有時可能高達十億分之一。
“生成具有不同頻率的新激光器副本是使用原子和離子量子計算機的最重要工具之一，”弗里德曼說。 “但要大規模地做到這一點，你必須擁有能夠有效產生這些新頻率的技術。”
這些精確的頻移目前是使用需要大量微波功率的大型桌面設備來實現的。雖然對於小型實驗來說是有效的，但這些系統與未來量子計算機所需的巨大光場並不兼容。
“你不會在裝滿光桌的倉庫裡建造一台擁有 100,000 個電光調製器的量子計算機，”Eichenfield 說。 “你需要一種更具可擴展性的方法來製造它，而不需要手動組裝和長光路。當你這樣做的時候，如果你能讓它們全部安裝在幾個小微芯片上，並且產生的熱量減少 100 倍，那麼你就更有可能讓它們變得可用。”
使用更少的能源、更少的熱量、更多的量子位
新設備通過有效的相位調製來改變激光頻率。雖然使用的微波功率比現有商用調製器少約 80 倍，但較低的功耗意味著更少的熱量。它允許各種通道緊密集成，即使它位於單個芯片上。
當這些優勢結合在一起時，芯片就會變成一個可擴展的系統，可以通過量子計算所需的精確相互作用來協調原子。
採用與現代微芯片相同的技術構建。
該項目最重要的成就之一是設備完全在生產或生產設施中生產。這與先進微電子製造中使用的環境相同。
“CMOS 製造是人類有史以來設計的最具擴展性的技術，”Eichenfield 說。
“每部手機或電腦中的每個微電子芯片都有數十億個相同的晶體管，因此通過使用 CMOS 製造，未來我們將能夠生產數千甚至數百萬個相同的光子器件。這正是量子計算機所需要的。”
據 Otterstorm 介紹，該團隊採用了過去體積大、成本高、功率大的調製器技術。新設計更小。更高效、更輕鬆的集成
“我們正在幫助推動光學器件走向自己的‘晶體管革命’，從光學等效真空管轉向可擴展的集成光子技術，”Otterstorm 說。
邁向集成光子量子芯片
研究人員目前正在研究一種集成光子電路，該電路將頻率生成、濾波和脈衝生成結合在單個芯片上。這項努力使該領域更接近完整且可用的量子光子學平台。
接下來，該團隊計劃與一家量子計算機公司合作，在先進的離子捕獲和中性原子量子計算機中測試這些芯片。
“這個設備是拼圖的最後一塊，”弗里德曼說。 “我們距離真正可擴展的光子平台又近了一步。它可以控制大量的量子位。”
該項目得到了美國能源部通過量子系統加速器計劃（國家量子科學計劃）的支持。
