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現(xiàn)在，在芯片中也可以用聲波傳輸數(shù)據(jù)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(nèi)“折返”以獲取數(shù)據(jù)。

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(xiàn)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(xiàn)在，哈佛大學的相關(guān)研究終于表明：

聲波在芯片中傳輸數(shù)據(jù)也是有可能的，通過一種特殊的芯片結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)？

在傳統(tǒng)的電學芯片中，用來傳輸數(shù)據(jù)的是電子，它通過像晶體管之類的元件進行調(diào)制，將輸入的數(shù)據(jù)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(diào)制，具體也就是將光子作為載波，用于傳輸信號源。

傳輸?shù)慕橘|(zhì)是一種叫“波導”的東西，它會給光子提供一個傳輸?shù)莫M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(diào)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(diào)制器，它可以用來調(diào)制聲波。

電-聲調(diào)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(zhì)）發(fā)生彈性響應，進而來調(diào)節(jié)聲波的振幅、相位等。

因此，哈佛團隊的電-聲調(diào)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(chǎn)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(diào)制之前經(jīng)歷了什么？

電-聲調(diào)制器的兩端，有兩對叉指換能器（IDT），它的作用是實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(diào)制聲波呢？

這時就需要一個電場，通過生成電壓，調(diào)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(chǎn)生一個電場。

這便是“電-聲調(diào)制器”的基本構(gòu)造了。

那它是如何通過對聲波進行調(diào)制，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪兀?/p>

如何調(diào)制聲波以實現(xiàn)信號傳輸

在波導中，聲波是被直接調(diào)制的。

在調(diào)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(diào)制呢？

哈佛團隊通過構(gòu)建推拉結(jié)構(gòu)中的聲馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)來實現(xiàn)。

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(jié)合這個圖來看：

上面已經(jīng)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(jié)合時，振幅就會產(chǎn)生相應的改變。

除此之外，電-聲調(diào)制器還可以進行聲波的非互易調(diào)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(wǎng)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(zhì)中沿著相反的方向傳輸產(chǎn)生的損耗不同。

那聲波的非互易性怎么依靠調(diào)制器來實現(xiàn)呢？

將調(diào)制電極分成三段，通過調(diào)整施加于每個電極上的調(diào)制信號的相對相位，來控制準移動電場的波數(shù)。

可以看圖b，當調(diào)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(xiàn)了非互易聲波調(diào)制。

聲學芯片研究的意義

電聲調(diào)制器在低溫兼容性、調(diào)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(jié)構(gòu)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 Lon?ar也表示：

聲波很有希望成為量子和經(jīng)典信息處理芯片上的信息載體。

如果你想更加深入地了解聲學芯片的話，可以戳下文的論文鏈接了解。

論文地址：
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2101/2101.01626.pdf