超微型调制器实现高精度激光操控

利用光纤阵列发出激光的光学芯片。图片来源：美国科罗拉多大学博尔德分校

　　科技日报北京12月15日电 （记者张佳欣）美国科罗拉多大学博尔德分校与桑迪亚国家实验室联合研究团队研制出一种超微型光学相位调制器，其尺寸几乎只有人类发丝直径的百分之一，却能以极低功耗、极高精度操控激光频率，为未来大规模量子计算机提供核心支撑。相关成果发表于新一期《自然·通讯》。

　　在当前主流的离子阱和中性原子阱量子计算方案中，量子信息存储于单个原子中。为了操控这些量子比特，研究人员需要通过高度稳定、频率精确的激光束，与每一个原子“对话”，向它们下达执行计算的指令。每一束激光的频率往往需要精确到十亿分之一甚至更高，这对光学调制器提出了极高要求。

　　然而，现有频率调制通常依赖体积庞大的桌面级电光调制器，不仅功耗高、发热大，而且难以扩展到成千上万条光学通道，成为制约量子计算规模化的关键瓶颈。

　　此次研发的新型光学相位调制器，利用每秒振荡数十亿次的微波频率振动，对激光相位进行精确控制，从而在芯片上高效产生稳定的新激光频率。实验显示，该器件在实现相同功能的情况下，微波功耗仅为多种商用调制器的约1/80。

　　更低的功耗意味着更少的发热，使得更多光学通道可以紧密排列，甚至集成在同一块芯片上。在此基础上，研究人员能够对大量原子所需的激光频率和相位进行统一而精确的协调控制，形成一种强大且可扩展的原子操控系统，正是这些复杂而精密的操作，支撑着量子计算的实现。

　　这一器件并非实验室“定制品”，而是完全采用CMOS工艺在晶圆厂中制造。CMOS是现代芯片产业最成熟、最具规模化能力的制造技术，广泛应用于手机、计算机和各类电子设备中。

　　这一成果有望推动光学技术从体积庞大、能耗高的传统光学器件，迈向高度集成、低功耗的光子芯片平台。