新型光子芯片诞生，量子计算与精密测量迎来新工具
美国马里兰大学研发的光子芯片，悄然将一束单色激光转化为红、绿、蓝三色光，这一突破可能重塑量子计算的未来。
想象一下，仅用一束单色激光照射一块芯片，无需任何主动控制或反复优化，输出端就会稳定地出现红、绿、蓝三色光。这听起来如同魔术，但已是美国马里兰大学研究团队在新一期《科学》杂志上发表的现实突破。
这种新型光子芯片的成功研制，标志着量子计算与高精度测量领域多了一种创新工具。
01 技术突破：从单一到多元的被动转换
传统光子器件虽能捕捉和操控光子，实现光子流的分离、引导、放大和干涉，但功能有限且难以批量稳定生产。
与普通棱镜只能分解光色不同，这种芯片能直接产生输入光中原本不存在的新频率。
团队设计并测试的新型芯片由一系列环形结构组成，每个环形结构都是一个谐振器，可使光循环数十万次甚至数百万次。
这种设计确保入射光与芯片之间的充分相互作用，使光的频率能够翻倍、三倍甚至四倍，从而实现从单色光到多色光的转换。
02 核心机制：非线性效应的巧妙放大
实现这一功能的关键在于特殊的非线性光-物质相互作用。
非线性效应在通常情况下非常微弱，为增强效果，科学家使用光子谐振器让光在芯片中循环多次，使弱效应叠加形成明显效果。
然而，单一谐振器生成多种频率仍存在局限。
研究团队采用了微小谐振器阵列协同工作的方法，通过数百个微环组成的阵列放大非线性效应，引导光沿边缘传播，将脉冲激光转化为多频率光。
在最新实验中，6块同一晶圆上的芯片在输入标准190THz激光后，均产生二、三、四次谐波光，对应红、绿、蓝三色光。
而3块单环芯片即便使用嵌入式加热器，也仅有一块在有限条件下产生二次谐波。
03 技术优势：被动匹配与稳定输出
这款芯片最引人注目的特点之一是其被动稳定工作的能力。团队发现阵列本身就能提高频率转换的成功率，无需主动调节。
阵列中小环和“超环”之间的不同循环速度，使光在芯片中更容易满足转换条件，相当于被动实现匹配。
随着输入光强度增加，芯片还能生成更多频率光，类似此前的多频率光效果。
这一方法对光学计量、频率转换和非线性光学计算等领域具有广泛影响，无需主动调节即可高效工作。
04 应用前景：从量子计算到精密测量
这款光子芯片的推出，为多个前沿科技领域带来了新的可能性。
在量子计算领域，这种芯片能够提供更高效、稳定的光源，为量子信息处理提供新工具。
马里兰大学团队开发的这种新型光子芯片，可将单色激光光源被动转换为红、绿、蓝三色光，这一能力对于量子计算研究具有重要意义。
而在精密测量领域，该芯片同样展现出巨大潜力。高精度频率测量及光学计量都是这款芯片的直接应用场景。
传统光子器件功能有限且难以批量稳定生产，而这款芯片的创新设计解决了这些问题。
与此同时，世界各地的研究团队也在光子技术领域取得了一系列突破。
清华大学电子工程系方璐教授团队成功研制出全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片“玉衡”。
这款芯片仅约2厘米×2厘米×0.5厘米，可在400至1000纳米的宽光谱范围内，实现亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像。
它能在单次快照中同步获取全光谱与全空间信息，其分辨能力提升两个数量级，突破了光谱分辨率与成像通量无法兼得的长期瓶颈。
另一项来自《Nanowerk Spotlight》的报道展示了一种偏振控制超构透镜，它创建了一种灵活的3D传感器，可在精度和长距离模式之间切换，为自适应光学测量工具提供了新路径。
这种超构透镜由氮化硅纳米鳍组成，根据入射光的偏振方向，可在高精度模式和扩展范围模式之间切换。
05 行业背景：光子计算的并行发展
在光子芯片技术突破不断涌现的同时，整个光子计算领域也在蓬勃发展。
Quantum Computing Inc.（QCi）在2025年11月的SuperCompute25会议上展示了 Neurawave光子储备池计算系统。
这一PCIe-based平台在室温下运行，将光学计算与数字电子集成，为边缘AI应用提供实用的高能效解决方案。
储备池计算是一种非冯·诺依曼方法，非常适合信号处理和时间序列预测等应用，与传统方法相比提供了速度和效率上的提升。
另一家公司Quandela则与NVIDIA合作，使用CUDA-Q实现了量子光子学模拟的20，000倍加速。
这一突破将量子光学硬件的开发周期从数月缩短至数小时，显著加快了光量子处理器的开发进程。
在制造业，Wooptix推出的Phemet计量系统能够以亚纳米分辨率捕获超过1600万个数据点**。
该系统利用专有的波前相位成像技术，快速获取亚纳米分辨率的波前相位图，提供样品的详细信息，包括晶片的完整形貌和翘曲数据。
随着马里兰大学的被动频率转换芯片、清华大学的“玉衡”成像芯片等技术的涌现，我们正站在光子技术革命的门槛上。
这些突破性进展不再是实验室里的孤立现象，而是逐渐交织成一张技术生态网。
就像电子计算机在20世纪的演变，光子技术正在从理论走向实践，从专用走向通用，一个由光子驱动的科技新时代正在我们眼前展开。
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