光子芯片，性能超MEMS 50倍

据多方估算，量子计算机需要数百万个量子比特，才能在网络安全、药物研发及其他行业实现其潜在应用。问题在于，任何想要同时操控数百万个特定类型量子比特的人，都会面临一个难题：如何控制数百万束激光。

这正是参与 MITRE Quantum Moonshot 项目的科学家所面临的挑战。该项目汇集了来自 MITRE、MIT、University of Colorado at Boulder 以及 Sandia National Laboratories 的科研人员。他们开发的解决方案采用了一种图像投影技术，而他们发现，这项技术同样可以解决增强现实、生物医学成像等诸多领域的一系列其他难题。该设备是一块面积为 1 平方毫米的光子芯片，能够将《蒙娜丽莎》投影到比两个人类卵细胞还小的区域。

“项目启动时，我们完全没有预料到会开发出一项可能彻底革新成像技术的成果。”Matt Eichenfield 表示。他是 Quantum Moonshot 项目的负责人之一，该合作研究项目致力于研发可扩展的金刚石基量子计算机；同时他也是 University of Colorado at Boulder 的量子工程教授。该芯片每秒可投射 6860 万个独立光点 —— 为与物理像素区分，这些光点被称为可扫描像素。其性能是微机电系统（MEMS）微镜阵列等现有技术的五十倍以上。

MIT 访问研究员、QuEra Computing 光子工程师 Henry Wen表示，“我们现已实现的可扫描像素，已经达到衍射理论所能允许的极限。”

该芯片的核心特征是一组微型微米级悬臂阵列，这些悬臂在电压作用下会偏离芯片平面发生弯曲，充当光线的微型 “跳台”。光线通过波导沿每根悬臂传输，并从尖端射出。悬臂中包含一层薄氮化铝，这是一种压电材料，在电压作用下会膨胀或收缩，从而带动微型结构上下运动，使阵列能够在二维区域内扫描光束。

尽管团队取得了重大突破，但 Eichenfield 表示，悬臂的工程化过程 “相当顺利”。每根悬臂由数层亚微米级材料堆叠而成，在静止状态下可从芯片平面向外弯曲约 90 度。为实现如此大的弯曲度，团队利用了制造过程中材料内部物理应力导致各层伸缩程度不同的特性。材料最初平整沉积在芯片上，随后移除悬臂下方的一层芯片结构，使材料应力释放，悬臂从芯片上脱离并向外卷曲。每根悬臂的顶层还设有一系列垂直于波导的二氧化硅条，既可以防止悬臂沿宽度方向卷曲，又能增强其沿长度方向的弯曲效果。

比起芯片本身工程设计，更具挑战的是解决芯片实际投影图像和视频的具体细节。同样参与该项目的 MITRE 研究员 Andy Greenspon 表示，实现悬臂运动与光束的同步与时序控制，以在正确时间生成正确颜色，是一项艰巨的工作。如今，团队已成功通过单根悬臂投射出多种视频，包括电影《查理・布朗的圣诞节》片段。

由于该芯片在单位时间内可投射的光点数量远超以往任何光束扫描仪，它也可用于在量子计算机中控制更多量子比特。Wen 解释说，Quantum Moonshot 项目的目标是打造一台可扩展至数百万量子比特的量子计算机，显然，这需要一种可规模化的方式来控制每一个量子比特。团队发现，不必为每个量子比特单独配备一束激光，也并非每个量子比特都需要在任意时刻被控制。该芯片能够在二维区域内移动光束，这让他们可以用远更少的激光控制所有量子比特。

Wen 认为，该芯片还能改进 3D 打印中的物体扫描流程。目前该过程通常使用单束激光扫描物体整个表面，而新型芯片理论上可同时使用数千束激光。“我认为，原本需要数小时的流程，现在有望缩短到几分钟。”

Wen 也对探索不同悬臂形状的潜力感到兴奋。通过改变垂直于波导的条状物方向，团队已能让悬臂卷曲成螺旋结构。Wen 表示，这类特殊形状可用于制造面向细胞生物学或药物研发的芯片实验室。“这类技术大多与成像、激光扫描相关，要么用于成像，要么用于激发某种反应。我们可以让这些‘跳台’不仅向上弯曲，还能回卷、环绕，进而对样本进行扫描。”Wen 解释道，“只要你能构想出有用的结构，我们都可以尝试实现。”