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據(jù)多方估算，量子計(jì)算機(jī)要在網(wǎng)絡(luò)安全、藥物研發(fā)及其他行業(yè)實(shí)現(xiàn)其潛在應(yīng)用，將需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特。問(wèn)題在于，任何想要同時(shí)操控?cái)?shù)百萬(wàn)個(gè)特定類型量子比特的人，都會(huì)面臨一個(gè)難題：如何控制數(shù)百萬(wàn)束激光。

這正是參與 “MITRE 量子登月計(jì)劃” 項(xiàng)目的科學(xué)家所面臨的挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目匯聚了來(lái)自 MITRE 公司、麻省理工學(xué)院、科羅拉多大學(xué)博爾德分校以及桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科研人員。他們研發(fā)出的解決方案是一種圖像投影技術(shù)，而這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，還能解決增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、生物醫(yī)學(xué)成像等諸多領(lǐng)域的其他難題。該設(shè)備是一塊面積僅 1 平方毫米的光子芯片，可將《蒙娜麗莎》投影到比兩個(gè)人類卵細(xì)胞還小的區(qū)域上。

“項(xiàng)目啟動(dòng)之初，我們絕對(duì)沒(méi)想到會(huì)研發(fā)出一項(xiàng)可能顛覆成像領(lǐng)域的技術(shù)。” 馬特?艾肯菲爾德說(shuō)道。

他是該量子登月計(jì)劃的負(fù)責(zé)人之一，該合作研究項(xiàng)目致力于研發(fā)可擴(kuò)展的金剛石基量子計(jì)算機(jī)，同時(shí)他也是科羅拉多大學(xué)博爾德分校的量子工程學(xué)教授。這款芯片每秒可投射 6860 萬(wàn)個(gè)獨(dú)立光點(diǎn) —— 為區(qū)別于物理像素，這類光點(diǎn)被稱作可掃描像素。其性能是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）微鏡陣列等傳統(tǒng)技術(shù)的 50 多倍。

“我們現(xiàn)已研發(fā)出衍射極限下的極致可掃描像素。” 麻省理工學(xué)院訪問(wèn)研究員、QuEra 計(jì)算公司光子工程師溫亨利表示。

這款芯片的核心特色是微型懸臂陣列，這些微米級(jí)懸臂在電壓作用下會(huì)偏離芯片平面發(fā)生彎曲，如同為光線搭建的微型 “跳臺(tái)滑道”。光線通過(guò)波導(dǎo)沿每根懸臂傳輸，并從懸臂頂端射出。懸臂中含有一層薄氮化鋁，這種壓電材料在電壓作用下會(huì)發(fā)生伸縮，帶動(dòng)微型機(jī)械上下運(yùn)動(dòng)，使陣列能在二維平面內(nèi)掃描光束。

盡管團(tuán)隊(duì)取得了重大突破，但艾肯菲爾德表示，懸臂的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程 “相當(dāng)順利”。每根懸臂由數(shù)層亞微米級(jí)材料堆疊而成，靜止時(shí)會(huì)偏離芯片平面彎曲約 90 度。為實(shí)現(xiàn)如此大的彎曲度，團(tuán)隊(duì)利用了制造過(guò)程中材料內(nèi)部物理應(yīng)力導(dǎo)致各層伸縮程度不同的特性。材料最初平整沉積在芯片上，隨后移除懸臂下方的芯片層，讓材料應(yīng)力發(fā)揮作用，使懸臂脫離芯片并向外彎曲。每根懸臂的頂層還設(shè)有一系列與波導(dǎo)垂直的二氧化硅條，既能防止懸臂沿寬度方向卷曲，又能增強(qiáng)其長(zhǎng)度方向的彎曲度。

比芯片設(shè)計(jì)本身更具挑戰(zhàn)的，是攻克芯片實(shí)際投射圖像與視頻的技術(shù)細(xì)節(jié)。參與該項(xiàng)目的 MITRE 公司研究員安迪?格林斯彭稱，協(xié)調(diào)懸臂運(yùn)動(dòng)與光束的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配色與同步投射，是一項(xiàng)艱巨的工作。如今，團(tuán)隊(duì)已成功通過(guò)單根懸臂投射出多段視頻，其中包括動(dòng)畫片《查理?布朗的圣誕節(jié)》的片段。

由于這款芯片在單位時(shí)間內(nèi)可投射的光點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)超以往任何光束掃描儀，它還能用于操控量子計(jì)算機(jī)中更多的量子比特。溫亨利解釋道，量子登月計(jì)劃的目標(biāo)是打造可擴(kuò)展至數(shù)百萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，顯然需要一種可規(guī)模化的方式操控每個(gè)量子比特。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)需為每個(gè)量子比特單獨(dú)配備一束激光，也不必在每一時(shí)刻都操控所有量子比特。這款芯片可在二維平面內(nèi)移動(dòng)光束的特性，讓研究人員能用遠(yuǎn)少于以往數(shù)量的激光，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部量子比特的操控。

溫亨利認(rèn)為，這款芯片還能優(yōu)化 3D 打印的物體掃描工藝。目前該工藝通常采用單束激光掃描物體整個(gè)表面，而新型芯片有望同時(shí)使用數(shù)千束激光。“原本需要數(shù)小時(shí)的工序，如今或許能縮短至幾分鐘。” 他說(shuō)道。

溫亨利還對(duì)探索不同懸臂形狀的潛力充滿期待。通過(guò)調(diào)整與波導(dǎo)垂直的條狀物方向，團(tuán)隊(duì)已能讓懸臂卷曲成螺旋狀。他表示，這類特殊形狀可用于研發(fā)細(xì)胞生物學(xué)或藥物研發(fā)領(lǐng)域的芯片實(shí)驗(yàn)室。“這類技術(shù)大多與成像相關(guān)，通過(guò)激光掃描實(shí)現(xiàn)成像或激發(fā)特定反應(yīng)。我們可以讓這些‘跳臺(tái)滑道’不僅向上彎曲，還能回旋卷曲，進(jìn)而移動(dòng)掃描樣本。” 溫亨利解釋道，“只要你能構(gòu)想出有用的結(jié)構(gòu)，我們都可以嘗試實(shí)現(xiàn)。”

（來(lái)源：IEEE ）

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