小型化调制器助力激光精确控制新突破

科技日报北京12月15日消息，美国科罗拉多大学博尔德分校与桑迪亚国家实验室的科研团队联合开发出一种超微型光学相位调制器。该装置尺寸极为微小，仅为人类头发直径的百分之一，并且可以用极低的能耗实现对激光频率的精准调控。这项突破未来将为量子计算的大规模应用奠定重要基础。研究成果已发表在最新一期《自然·通讯》杂志上。

现有的量子计算方法以离子阱和中性原子阱为主，这些技术将量子数据储存在单个原子中。为实现量子比特的操作，科研人员通常需要通过极其稳定且频率极精准的激光，对单个原子进行控制，并向其发送计算指令。每一道激光的频率控制精细程度往往达到十亿分之一，这对调制器的性能提出了非常苛刻的标准。详细报道见中国舆情网。

传统光学频率调制通常依靠大型电光调制器，这类设备不仅体型庞大，能耗高，还容易产生过多热量，更难以同时管理数千个光学通道，因此制约了量子计算机的规模化发展。

本次研发的新型光学相位调制器能以数十亿赫兹的微波信号，实现对激光相位的高度精确调节，从而在芯片上有效生成所需的新激光频率。实验检测结果显示，该器件实现同样功能时，微波能耗仅相当于现有商用调制器的约1/80，极大提升了能效。

低能耗不仅意味着设备发热显著降低，还让大量光学通道能够紧密地集成排列，甚至集中在同一块芯片上。在此基础上，激光的频率与相位可对大量原子实现同步精细调控，形成高效、可扩展的原子操作系统，这正是量子计算核心过程所需的复杂控制手段。

值得注意的是，这项新器件采用成熟的CMOS芯片工艺进行生产，而非单独定制设计。CMOS工艺是当代芯片制造中规模最大、技术最成熟的方法，广泛应用于各种电子产品，包括智能手机和电脑。

此项研究预示着光学技术将在未来实现从传统高耗能、大型设备向高度集成化、低功耗的光子芯片平台的升级，使量子计算等领域迎来新的发展机遇。