Pine 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
現在，在芯片中也可以用聲波傳輸數據了。
看到這里你可能會疑惑：
光學芯片不是還在發(fā)展中，怎么又出來個聲學芯片？
其實，聲學集成電路一直都在發(fā)展，聲波相較于光來說速度會更慢，但這種“遲緩”的屬性未嘗不是一件好事
在設計量子電路時，為了提升探測精度，需要不斷引入新材料，讓載波信號在盡量短的距離內“折返”以獲取數據。
如果用速度更快的光波，“折返”一次所需的距離會更大，可能會超出現有設備能測量的范圍，也限制了探測精度的進一步提升。
因此，聲學芯片一直是量子計算的研究方向之一。
但在之前，聲學芯片一度遭遇瓶頸，大部分芯片材料無法以低損耗、可擴展的方式控制聲波。
現在，哈佛大學的相關研究終于表明：
聲波在芯片中傳輸數據也是有可能的，通過一種特殊的芯片結構，就能夠很好地控制并傳遞聲波。
那么這個聲學芯片具體長啥樣，咱們接著往下看。
芯片中聲波怎樣傳輸數據？
在傳統(tǒng)的電學芯片中，用來傳輸數據的是電子，它通過像晶體管之類的元件進行調制，將輸入的數據編碼，輸出0、1或者高、低電平。
而在光子芯片中，它則是對光子進行調制，具體也就是將光子作為載波，用于傳輸信號源。
傳輸的介質是一種叫“波導”的東西，它會給光子提供一個傳輸的狹窄通道。
我們所要講的聲學芯片呢，原理和光學芯片差不多。
用什么調制聲波？
在哈佛團隊這篇研究中，他們展示了一種可擴展聲-電平臺，可以用來設計聲學芯片。
首先需要設計一個電-聲調制器，它可以用來調制聲波。
電-聲調制器，我們可以從它的名字中猜出它的作用：
就是通過施加電壓來使波導（也就是傳播介質）發(fā)生彈性響應，進而來調節(jié)聲波的振幅、相位等。
因此，哈佛團隊的電-聲調制器是在一個集成的鈮酸鋰(LN)平臺上制作的，b圖可以清楚地看到，SiN在LN基板上沉積，中間形成了聲波的波導。
采用鈮酸鋰(LN)是因為其具備良好的壓電性能，即施加電壓LN會產生相應的彈性形變。
接下來，我們來看看聲波是從哪里來的，在調制之前經歷了什么？
電-聲調制器的兩端，有兩對叉指換能器（IDT），它的作用是實現聲-電換能，可以用于電激發(fā)和檢測微波聲波。
因為IDT的寬度大于聲波波導的寬度，所以需要使用錐形波導結構將波耦合到聲波波導中。
最后，聲波傳入到波導之后，怎么來調制聲波呢？
這時就需要一個電場，通過生成電壓，調制聲波。
因此，在SiN上沉積了一層鋁電極，在兩個鋁電極上接通電源，便產生一個電常
這便是“電-聲調制器”的基本構造了。
那它是如何通過對聲波進行調制，來實現數據傳輸的呢？
如何調制聲波以實現信號傳輸
在波導中，聲波是被直接調制的。
在調制電極上施加直流偏置電壓時，圖b可以觀察到聲波的相位移動了π/2。
如果想要改變聲波的振幅，該如何調制呢？
哈佛團隊通過構建推拉結構中的聲馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)來實現。
輸入的聲波在兩個MZI臂之間被平均分割。施加在這兩個波導上的電場方向相反，兩個分裂波在每一臂上傳播時的相位剛好是相反的。
可以結合這個圖來看：
上面已經提到，通過改變施加在電極上的電壓可以控制相位，隨后，兩個波重新結合時，振幅就會產生相應的改變。
除此之外，電-聲調制器還可以進行聲波的非互易調制。
基于非互易性的器件，是很多非傳統(tǒng)量子計算、量子測量和量子網絡等特殊量子信息處理協(xié)議中不可或缺的一部分。
聲波的非互易性，就是指聲波在介質中沿著相反的方向傳輸產生的損耗不同。
那聲波的非互易性怎么依靠調制器來實現呢？
將調制電極分成三段，通過調整施加于每個電極上的調制信號的相對相位，來控制準移動電場的波數。
可以看圖b，當調制信號在一個方向與移動聲波相位匹配、但在相反方向不匹配時，便實現了非互易聲波調制。
聲學芯片研究的意義
電聲調制器在低溫兼容性、調制效率、制造簡單性和可擴展性方面具有顯著的優(yōu)勢，這使大規(guī)模集成的聲學信息處理系統(tǒng)成為可能。
相較于電磁波的芯片，聲波芯片還有一些潛在的優(yōu)勢，聲波很容易被限制在微小的波導結構中，且互不干擾，并且它們與系統(tǒng)的其他部分有很強的相互作用。
哈佛大學教授Marko Lonar也表示：
聲波很有希望成為量子和經典信息處理芯片上的信息載體。
