硅光子芯片让“量子罗盘”更小更精确

科技日报北京8月14日电 （记者张佳欣）美国桑迪亚国家实验室研究人员利用硅光子微芯片组件，执行了一种名为原子干涉的量子传感技术。这是一种测量加速度的超高精度方法，也是研发无需全球定位系统（GPS）信号也能进行导航的“量子罗盘”最新成果。研究论文发表在最新一期《科学进展》上。

全集成多通道硅光子单边带 (SSB) 调制器芯片的概念渲染图，该芯片可用于冷原子干涉仪实验。图片来源：《科学进展》

智能手机、健身追踪器或虚拟现实设备内部都有微小的传感器用于追踪位置和移动。同样技术的“升级”版本，大小和一个柚子相当，精度要高出千倍，它们借助GPS帮助有更高需求的领域进行导航。随着技术的进步，这种高精度传感器的体积和技术成本正在大幅缩减。

新的高性能硅光子调制器是一款在微芯片上控制光的设备。每个原子干涉仪都需要一个激光系统，而激光系统又需要调制器。

通常，作为传感器系统的原子干涉仪需要占据一个小房间。而一个完整的“量子罗盘”（量子惯性测量单元）则需要6个原子干涉仪。团队成功用一颗牛油果大小的真空室取代了大型耗电真空泵，并将多个部件整合成一个单一的刚性装置。

新调制器是微芯片上激光系统的核心。它能够承受强烈的振动，并将取代通常大小如冰箱的传统激光系统。激光器在原子干涉仪中执行多项任务。团队则使用了4个调制器来改变单个激光器的频率，以执行不同的功能。

调制器经常会产生不需要的回声，即边带，这需要进行抑制。团队的抑制载波单边带调制器将这些边带降低了前所未有的47.8分贝，从而使边带强度降低至原来的近十万分之一。

成本此前是部署量子导航设备的主要障碍。现在，团队可以在一块8英寸的晶圆上制造数百个调制器。将庞大且昂贵的组件微缩成硅光子芯片有助于降低成本。