哈佛大学搞出声波传数据芯片,抗干扰能力更强,适用于量子计算等
作者 | 量子位2022-09-12

现在,在芯片中也可以用声波传输数据了。

看到这里你可能会疑惑:

光学芯片不是还在发展中,怎么又出来个声学芯片?

其实,声学集成电路一直都在发展,声波相较于光来说速度会更慢,但这种“迟缓”的属性未尝不是一件好事——

在设计量子电路时,为了提升探测精度,需要不断引入新材料,让载波信号在尽量短的距离内“折返”以获取数据。

如果用速度更快的光波,“折返”一次所需的距离会更大,可能会超出现有设备能测量的范围,也限制了探测精度的进一步提升。

因此,声学芯片一直是量子计算的研究方向之一。

但在之前,声学芯片一度遭遇瓶颈,大部分芯片材料无法以低损耗、可扩展的方式控制声波。

现在,哈佛大学的相关研究终于表明:

声波在芯片中传输数据也是有可能的,通过一种特殊的芯片结构,就能够很好地控制并传递声波。

那么这个声学芯片具体长啥样,咱们接着往下看。

芯片中声波怎样传输数据?

在传统的电学芯片中,用来传输数据的是电子,它通过像晶体管之类的元件进行调制,将输入的数据编码,输出0、1或者高、低电平。

而在光子芯片中,它则是对光子进行调制,具体也就是将光子作为载波,用于传输信号源。

传输的介质是一种叫“波导”的东西,它会给光子提供一个传输的狭窄通道。

我们所要讲的声学芯片呢,原理和光学芯片差不多。

用什么调制声波?

在哈佛团队这篇研究中,他们展示了一种可扩展声-电平台,可以用来设计声学芯片。

首先需要设计一个电-声调制器,它可以用来调制声波。

电-声调制器,我们可以从它的名字中猜出它的作用:

就是通过施加电压来使波导(也就是传播介质)发生弹性响应,进而来调节声波的振幅、相位等。

因此,哈佛团队的电-声调制器是在一个集成的铌酸锂(LN)平台上制作的,b图可以清楚地看到,SiN在LN基板上沉积,中间形成了声波的波导。

采用铌酸锂(LN)是因为其具备良好的压电性能,即施加电压LN会产生相应的弹性形变。

接下来,我们来看看声波是从哪里来的,在调制之前经历了什么?

电-声调制器的两端,有两对叉指换能器(IDT),它的作用是实现声-电换能,可以用于电激发和检测微波声波。

因为IDT的宽度大于声波波导的宽度,所以需要使用锥形波导结构将波耦合到声波波导中。

最后,声波传入到波导之后,怎么来调制声波呢?

这时就需要一个电场,通过生成电压,调制声波。

因此,在SiN上沉积了一层铝电极,在两个铝电极上接通电源,便产生一个电场。

这便是“电-声调制器”的基本构造了。

那它是如何通过对声波进行调制,来实现数据传输的呢?

如何调制声波以实现信号传输

在波导中,声波是被直接调制的。


在调制电极上施加直流偏置电压时,图b可以观察到声波的相位移动了π/2。

如果想要改变声波的振幅,该如何调制呢?

哈佛团队通过构建推拉结构中的声马赫-曾德尔干涉仪(MZI)来实现。

输入的声波在两个MZI臂之间被平均分割。施加在这两个波导上的电场方向相反,两个分裂波在每一臂上传播时的相位刚好是相反的。

可以结合这个图来看:


上面已经提到,通过改变施加在电极上的电压可以控制相位,随后,两个波重新结合时,振幅就会产生相应的改变。

除此之外,电-声调制器还可以进行声波的非互易调制

基于非互易性的器件,是很多非传统量子计算、量子测量和量子网络等特殊量子信息处理协议中不可或缺的一部分。

声波的非互易性,就是指声波在介质中沿着相反的方向传输产生的损耗不同。

那声波的非互易性怎么依靠调制器来实现呢?


将调制电极分成三段,通过调整施加于每个电极上的调制信号的相对相位,来控制准移动电场的波数。

可以看图b,当调制信号在一个方向与移动声波相位匹配、但在相反方向不匹配时,便实现了非互易声波调制。

声学芯片研究的意义

电声调制器在低温兼容性、调制效率、制造简单性和可扩展性方面具有显著的优势,这使大规模集成的声学信息处理系统成为可能。

相较于电磁波的芯片,声波芯片还有一些潜在的优势,声波很容易被限制在微小的波导结构中,且互不干扰,并且它们与系统的其他部分有很强的相互作用。

哈佛大学教授Marko Lončar也表示:

声波很有希望成为量子和经典信息处理芯片上的信息载体。

如果你想更加深入地了解声学芯片的话,可以戳下文的论文链接了解。

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