硅光子芯片讓“量子羅盤”更小更精確

科技日報北京8月14日電 （記者張佳欣）美國桑迪亞國家實驗室研究人員利用硅光子微芯片組件，執行了一種名為原子干涉的量子傳感技術。這是一種測量加速度的超高精度方法，也是研發無需全球定位系統（GPS）信號也能進行導航的“量子羅盤”最新成果。研究論文發表在最新一期《科學進展》上。

全集成多通道硅光子單邊帶 (SSB) 調制器芯片的概念渲染圖，該芯片可用于冷原子干涉儀實驗。圖片來源：《科學進展》

智能手機、健身追蹤器或虛擬現實設備內部都有微小的傳感器用于追蹤位置和移動。同樣技術的“升級”版本，大小和一個柚子相當，精度要高出千倍，它們借助GPS幫助有更高需求的領域進行導航。隨著技術的進步，這種高精度傳感器的體積和技術成本正在大幅縮減。

新的高性能硅光子調制器是一款在微芯片上控制光的設備。每個原子干涉儀都需要一個激光系統，而激光系統又需要調制器。

通常，作為傳感器系統的原子干涉儀需要占據一個小房間。而一個完整的“量子羅盤”（量子慣性測量單元）則需要6個原子干涉儀。團隊成功用一顆牛油果大小的真空室取代了大型耗電真空泵，并將多個部件整合成一個單一的剛性裝置。

新調制器是微芯片上激光系統的核心。它能夠承受強烈的振動，并將取代通常大小如冰箱的傳統激光系統。激光器在原子干涉儀中執行多項任務。團隊則使用了4個調制器來改變單個激光器的頻率，以執行不同的功能。

調制器經常會產生不需要的回聲，即邊帶，這需要進行抑制。團隊的抑制載波單邊帶調制器將這些邊帶降低了前所未有的47.8分貝，從而使邊帶強度降低至原來的近十萬分之一。

成本此前是部署量子導航設備的主要障礙。現在，團隊可以在一塊8英寸的晶圓上制造數百個調制器。將龐大且昂貴的組件微縮成硅光子芯片有助于降低成本。