沙粒大小Chip Can攝像裝置：量子激光MEMS陣列拓展多元用途

據(jù)多方估算，量子計(jì)算機(jī)需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，才能在網(wǎng)絡(luò)安全、藥物研發(fā)等領(lǐng)域真正發(fā)揮潛力。但問(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（Quantum Moonshot）項(xiàng)目的科學(xué)家所面對(duì)的挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目匯集了來(lái)自MITRE、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)室的研究人員。他們最終研發(fā)出的解決方案是一種圖像投影技術(shù)，而他們也發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)同樣可以解決增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、生物醫(yī)學(xué)成像等多個(gè)領(lǐng)域的諸多難題。該設(shè)備是一塊1平方毫米的光子芯片，能夠?qū)ⅰ睹赡塞惿吠队暗奖葍蓚€(gè)人類卵細(xì)胞還小的區(qū)域上。

科羅拉多大學(xué)博爾德分校量子工程教授、量子登月計(jì)劃項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一Matt Eichenfield表示：“項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，我們完全未曾預(yù)料到，會(huì)研發(fā)出一項(xiàng)可能徹底革新成像領(lǐng)域的技術(shù)?！痹摵献餮芯宽?xiàng)目旨在打造可規(guī)模化的金剛石基量子計(jì)算機(jī)。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，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倍以上。

麻省理工學(xué)院訪問(wèn)研究員、QuEra計(jì)算公司光子學(xué)工程師Henry Wen稱：“我們現(xiàn)已造出的可掃描像素，性能已達(dá)到衍射極限的理論上限?！?/span>

這款芯片的核心特征是微型懸臂梁陣列。這些懸臂梁在電壓作用下會(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)”。光通過(guò)波導(dǎo)沿每根懸臂梁傳導(dǎo)，并從其頂端射出。懸臂梁中含有一層薄薄的氮化鋁，這是一種壓電材料，在電壓下會(huì)發(fā)生膨脹或收縮，從而帶動(dòng)微型結(jié)構(gòu)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，Eichenfield表示，懸臂梁的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程“相當(dāng)順利”。每根懸臂梁由多層亞微米級(jí)材料堆疊而成，在靜止?fàn)顟B(tài)下可向外卷曲約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。材料最初是平整地沉積在芯片上的。隨后，懸臂梁下方的一層芯片材料被去除，使材料應(yīng)力得以釋放，懸臂梁從芯片表面脫離并自然卷曲。每根懸臂梁的頂層還設(shè)計(jì)有一系列垂直于波導(dǎo)的二氧化硅條，既能防止懸臂梁沿寬度方向卷曲，又能增強(qiáng)其沿長(zhǎng)度方向的彎曲效果。

比芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身更具挑戰(zhàn)性的，是搞清楚如何讓芯片真正投射出圖像和視頻。同樣參與該項(xiàng)目的MITRE研究員Andy Greenspon表示，要實(shí)現(xiàn)懸臂梁運(yùn)動(dòng)與光束的同步和時(shí)序控制，在正確的時(shí)間生成正確的顏色，這一過(guò)程耗費(fèi)了大量精力。如今，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功用單根懸臂梁投射出多種視頻，其中就包括動(dòng)畫片《查理?布朗的圣誕節(jié)》的片段。

Matt Saha, Y. Henry Wen, et al.

相比于以往任何光束掃描器，這款芯片在單位時(shí)間內(nèi)能夠投射的光點(diǎn)數(shù)量要多得多，因此它也可以用來(lái)控制更多的量子計(jì)算機(jī)量子比特。Henry Wen解釋說(shuō)，量子登月計(jì)劃的目標(biāo)，是打造一臺(tái)可擴(kuò)展至數(shù)百萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)。顯然，它需要一種可規(guī)?；姆绞絹?lái)單獨(dú)控制每一個(gè)量子比特。研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有采用“一個(gè)量子比特配一束激光”的方案，而是意識(shí)到：并非每個(gè)量子比特都需要在每時(shí)每刻都被控制。這款芯片能夠在二維平面上快速移動(dòng)光束，這讓他們可以用少得多的激光，就實(shí)現(xiàn)對(duì)所有量子比特的控制。

Henry Wen認(rèn)為，這種芯片還能改進(jìn)3D打印物體掃描工藝。目前這類操作通常只用單束激光掃描物體整個(gè)表面，而新型芯片理論上可以同時(shí)使用數(shù)千束激光?！霸拘枰獢?shù)小時(shí)的工序，現(xiàn)在有望縮短到幾分鐘?！盚enry Wen說(shuō)。

他同時(shí)也對(duì)探索不同懸臂形狀的潛力感到興奮。通過(guò)調(diào)整垂直于波導(dǎo)的微條方向，團(tuán)隊(duì)已能讓懸臂梁卷曲成螺旋狀。Henry Wen表示，這類特殊結(jié)構(gòu)可用于制造面向細(xì)胞生物學(xué)或藥物研發(fā)的芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備?！斑@類應(yīng)用大多和成像有關(guān)，用激光掃描目標(biāo)，要么成像，要么激發(fā)某種反應(yīng)。我們可以讓這些微型‘光跳臺(tái)’不只向上彎曲，還能回旋、環(huán)繞并掃描樣本。”他解釋道，“只要你能想到有用的結(jié)構(gòu)，我們都可以嘗試做出來(lái)?！?/span>