一種比人類頭髮還要細小的芯片可能是實現真正可擴展的量子電腦的關鍵。研究人員最近發佈了一種新的光學相位調制器，尺寸幾乎是人類頭髮寬度的 100 分之一，有望最終解鎖下一代量子計算機所需的龐大量子比特數量。這項進展以可擴展性為基礎，團隊創建了一種使用日常微電子產品生產工藝製造的設備，包括計算機、手機、汽車甚至烤麵包機內部的芯片。
這項研究由電機、計算機和能源工程系的博士生 Jake Freedman、量子工程的卡爾·古斯塔夫森終身教授 Matt Eichenfield 及來自桑迪亞國家實驗室的合作者共同領導，包括共同資深作者 Nils Otterstrom。這個小型且強大的設備具有關鍵的量產能力，它利用微波頻率振動，每秒振動數十億次，精確地操控激光光線。
這些超快速的振動使研究人員能夠直接控制激光的相位，並以高穩定性和效率生成新頻率，這些功能對於量子計算、感測及網絡至關重要。當前主要的量子架構包括捕獲離子和捕獲中性原子系統，這些量子比特將信息儲存在個別原子中，必須使用經過精確調整的激光束進行操作。
Freedman 表示，創建具有非常精確頻率差異的新激光副本是處理基於原子和離子的量子計算機的重要工具。但要實現大規模生產，則需要能夠高效生成這些新頻率的技術。現有的頻率轉換系統依賴大型台式設備，消耗大量微波功率，雖然適合實驗室演示，但無法擴展到未來量子計算機所需的數十萬個光學通道。
Eichenfield 指出，無法在滿是光學桌的倉庫中建造擁有 100,000 個大型電光調制器的量子計算機，必須尋找更具可擴展性的製造方式。新設備正好解決了這個問題，其微波功率消耗約為許多商用調制器的 80 分之一，並通過高效的相位調制生成新的光頻率。更低的功率意味著更少的熱量，使得許多通道可以並排放置，甚至在單一微芯片上。
突破的另一個重要元素是其製造過程：完全在半導體工廠中進行。Eichenfield 表示，CMOS 製造是人類有史以來最具可擴展性的技術，未來可以生產成千上萬甚至數百萬個相同版本的光子設備。Otterstrom 指出，團隊將以前昂貴且耗電的設備變得更高效、更緊湊，正在幫助推動光學進入其自己的晶體管革命。
接下來，研究人員正在構建集成光子電路，將頻率生成、濾波和脈衝雕刻整合在同一芯片上。Freedman 表示，這個設備是解開謎題的最後一塊拼圖，我們即將接近一個真正可擴展的光子平台，能夠控制大量的量子比特。這項研究得到了美國能源部量子系統加速器計畫的支持，相關研究成果已發表在《自然通訊》期刊上。
