Pine 發(fā)自 凹非寺
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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(huì)疑惑：
光學(xué)芯片不是還在發(fā)展中，怎么又出來個(gè)聲學(xué)芯片？
其實(shí)，聲學(xué)集成電路一直都在發(fā)展，聲波相較于光來說速度會(huì)更慢，但這種“遲緩”的屬性未嘗不是一件好事——
在設(shè)計(jì)量子電路時(shí)，為了提升探測(cè)精度，需要不斷引入新材料，讓載波信號(hào)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(huì)更大，可能會(huì)超出現(xiàn)有設(shè)備能測(cè)量的范圍，也限制了探測(cè)精度的進(jìn)一步提升。
因此，聲學(xué)芯片一直是量子計(jì)算的研究方向之一。
但在之前，聲學(xué)芯片一度遭遇瓶頸，大部分芯片材料無法以低損耗、可擴(kuò)展的方式控制聲波。
現(xiàn)在，哈佛大學(xué)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(gè)聲學(xué)芯片具體長(zhǎng)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(xué)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(jìn)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(duì)光子進(jìn)行調(diào)制，具體也就是將光子作為載波，用于傳輸信號(hào)源。
傳輸?shù)慕橘|(zhì)是一種叫“波導(dǎo)”的東西，它會(huì)給光子提供一個(gè)傳輸?shù)莫M窄通道。
我們所要講的聲學(xué)芯片呢，原理和光學(xué)芯片差不多。
用什么調(diào)制聲波？
在哈佛團(tuán)隊(duì)這篇研究中，他們展示了一種可擴(kuò)展聲-電平臺(tái)，可以用來設(shè)計(jì)聲學(xué)芯片。
首先需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(dǎo)（也就是傳播介質(zhì)）發(fā)生彈性響應(yīng)，進(jìn)而來調(diào)節(jié)聲波的振幅、相位等。
因此，哈佛團(tuán)隊(duì)的電-聲調(diào)制器是在一個(gè)集成的鈮酸鋰(LN)平臺(tái)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(dǎo)。
采用鈮酸鋰(LN)是因?yàn)槠渚邆淞己玫膲弘娦阅?，即施加電壓LN會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)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(duì)叉指換能器（IDT），它的作用是實(shí)現(xiàn)聲-電換能，可以用于電激發(fā)和檢測(cè)微波聲波。
因?yàn)镮DT的寬度大于聲波波導(dǎo)的寬度，所以需要使用錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將波耦合到聲波波導(dǎo)中。
最后，聲波傳入到波導(dǎo)之后，怎么來調(diào)制聲波呢？
這時(shí)就需要一個(gè)電場(chǎng)，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(gè)鋁電極上接通電源，便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。
這便是“電-聲調(diào)制器”的基本構(gòu)造了。
那它是如何通過對(duì)聲波進(jìn)行調(diào)制，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪兀?/p>
如何調(diào)制聲波以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸
在波導(dǎo)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(shí)，圖b可以觀察到聲波的相位移動(dòng)了π/2。
如果想要改變聲波的振幅，該如何調(diào)制呢？
哈佛團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)。
輸入的聲波在兩個(gè)MZI臂之間被平均分割。施加在這兩個(gè)波導(dǎo)上的電場(chǎng)方向相反，兩個(gè)分裂波在每一臂上傳播時(shí)的相位剛好是相反的。
可以結(jié)合這個(gè)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(gè)波重新結(jié)合時(shí)，振幅就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變。
除此之外，電-聲調(diào)制器還可以進(jìn)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(jì)算、量子測(cè)量和量子網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)呢？
將調(diào)制電極分成三段，通過調(diào)整施加于每個(gè)電極上的調(diào)制信號(hào)的相對(duì)相位，來控制準(zhǔn)移動(dòng)電場(chǎng)的波數(shù)。
可以看圖b，當(dāng)調(diào)制信號(hào)在一個(gè)方向與移動(dòng)聲波相位匹配、但在相反方向不匹配時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了非互易聲波調(diào)制。
聲學(xué)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(jiǎn)單性和可擴(kuò)展性方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，這使大規(guī)模集成的聲學(xué)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(shì)，聲波很容易被限制在微小的波導(dǎo)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(qiáng)的相互作用。
哈佛大學(xué)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(xué)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
參考鏈接：
[1]https://www.tweaktown.com/news/87151/brand-new-computer-chip-uses-sound-waves-for-data-not-electricity/index.html
[2]https://newatlas.com/computers/harvard-acoustic-computer-chip-sound-waves/
— 完 —
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