美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的科学家们开发出一种多层集成光子芯片，通过在硅晶片上堆叠多种功能材料，成功制造出能够高效生成和转换多种激光颜色的光学电路。这项技术解决了量子计算和光学原子钟等前沿领域对多色激光的迫切需求，其低成本、小型化和高集成度的特性，为推动量子技术和人工智能等领域的普及和发展开辟了新道路。
光路取代电路的革命
科学家们正处于一场技术革命的边缘，目标是用光子（光的粒子）取代电子来处理信息。光子在电路中传输的速度远超电子，这使得光子芯片在信息处理方面潜力巨大。正如 NIST 物理学家 Scott Papp 所说：
我们正在学习制造具有多种功能的复杂电路，其应用领域遍及多个方面。
当前的技术瓶颈：激光颜色太少
尽管激光技术已经成熟，但高效、紧凑的激光器只能产生少数几种波长（颜色）的光。然而，许多新兴技术，特别是量子领域，需要多种特定颜色的激光。
- 量子计算机与原子钟： 这些设备使用原子来存储和处理信息，而不同类型的原子只对特定颜色的激光有反应。例如，铷原子需要 780 纳米的红光，而锶原子需要 461 纳米的蓝光。
- 成本与体积： 目前用于产生这些特殊颜色激光的设备体积庞大、价格昂贵且耗电，这极大地限制了量子技术的实际应用，使其基本被困在专业的实验室里。
多层堆叠的“芯片蛋糕”
NIST 的解决方案是一种结构类似“夹心蛋糕”的光子芯片，通过在单一芯片上集成不同功能的材料层来实现目标。
- 基础层： 从一块标准的硅晶片开始，上面覆盖有二氧化硅（玻璃）和铌酸锂。铌酸锂是一种非线性材料，可以改变入射光的颜色。
- 控制层： 研究人员添加了金属部件，用于电控电路如何将一种颜色的光转换为另一种，并实现光信号的高速开关。
- 关键层： 芯片的最上层是另一种非线性材料——五氧化二 tantalum (tantala)。这种材料拥有强大的光转换能力，能将单一颜色的激光输入转换成覆盖可见光彩虹和多种红外波长的光输出。
- 集成创新： 最重要的突破在于，研究团队开发出一种无需加热即可沉积 tantala 的技术，这使得它能够与下层材料无缝集成而不造成损坏。
通过这种三维堆叠，单一芯片能够高效地在不同层之间引导光，将 tantala 的强大光转换能力与铌酸锂的可控性完美结合起来。
一块芯片，多种用途
这项技术将对多个领域产生深远影响，其中量子技术将是最大的受益者之一。
- 推动量子技术普及： 这种芯片能够提供廉价、低功耗、便携的多色激光源，有望将光学原子钟和量子计算机从实验室解放出来，应用于更广泛的领域，如：
- 预测火山喷发和地震。
- 提供 GPS 以外的定位和导航方案。
- 探索暗物质等科学奥秘。
- 赋能人工智能与虚拟现实： 光子芯片还可以提高 AI 专用芯片之间的信号传输效率，并可能用于改进虚拟现实 (VR) 显示技术。
尽管这项技术尚未准备好大规模生产，但它指明了未来的发展方向。NIST 的科学家正与初创公司合作，致力于扩大这项技术的生产规模。正如 Papp 所说，当你看到芯片在实验室里发光，将不可见的红外光变成各种可见光时，它的巨大应用潜力便不言而喻。