現在，在芯片中也可以(yi)用聲波傳輸數據了。
看到這(zhe)里(li)你可能會(hui)疑惑：
光(guang)學芯片(pian)不是(shi)還在發(fa)展中(zhong)，怎么又出來個聲(sheng)學芯片(pian)？
其實，聲(sheng)學集成電路一(yi)直(zhi)都在(zai)發展，聲(sheng)波相較(jiao)于光(guang)來說(shuo)速度會更慢，但這種“遲緩”的(de)屬性未嘗不是一(yi)件好事(shi)——
在(zai)設計量子(zi)電路時，為了提升探測精度，需(xu)要不斷引(yin)入(ru)新(xin)材(cai)料，讓載(zai)波信號在(zai)盡量短(duan)的距離內“折返”以獲(huo)取數(shu)據。
如果用速度(du)更(geng)快的(de)(de)光波，“折(zhe)返”一次(ci)所需的(de)(de)距離會更(geng)大，可能(neng)(neng)會超(chao)出現(xian)有設備能(neng)(neng)測量的(de)(de)范圍，也限制了探測精度(du)的(de)(de)進一步提升。
因此(ci)，聲學芯(xin)片一直是量子計算的研究方向之一。
但在之前(qian)，聲學(xue)芯片一度遭(zao)遇瓶頸，大部(bu)分芯片材料無(wu)法以低損耗、可擴展的方(fang)式控(kong)制(zhi)聲波(bo)。
現在(zai)，哈佛大(da)學的相(xiang)關研究終于表明：
聲波在芯片中傳輸數據也是有可能的(de)，通(tong)過一種特(te)殊的(de)芯片結構，就能夠(gou)很好地(di)控(kong)制并傳遞聲波。
那么這個聲學芯片具體長啥(sha)樣，咱們接著往下(xia)看(kan)。
芯片中聲波怎樣傳輸數據？
在傳統的電學(xue)芯片(pian)中，用來傳輸(shu)數據的是(shi)電子，它通(tong)過(guo)像晶體管之類的元(yuan)件進行調制，將(jiang)輸(shu)入的數據編碼(ma)，輸(shu)出0、1或者高、低電平。
而在光子(zi)芯片(pian)中，它則是(shi)對(dui)光子(zi)進(jin)行調制，具體也就是(shi)將光子(zi)作(zuo)為載波，用于(yu)傳輸信(xin)號源。
傳輸的(de)(de)介質(zhi)是一種叫“波導”的(de)(de)東西，它會給(gei)光子提(ti)供一個傳輸的(de)(de)狹窄(zhai)通道。
我們所要講(jiang)的聲學(xue)芯片(pian)呢，原理和(he)光學(xue)芯片(pian)差不多。
用什么調制聲波？
在哈(ha)佛團隊這(zhe)篇研究中，他們(men)展示(shi)了(le)一(yi)種可擴展聲-電平臺，可以用來設(she)計(ji)聲學(xue)芯(xin)片。
首先(xian)需要設計(ji)一個電(dian)-聲(sheng)(sheng)調(diao)(diao)制器(qi)，它可以用來調(diao)(diao)制聲(sheng)(sheng)波。
電-聲調(diao)制器，我(wo)們可以(yi)從它的名字中猜出(chu)它的作(zuo)用：
就是通過施加電壓來使波導（也就是傳(chuan)播介(jie)質(zhi)）發生彈性響應，進(jin)而來調節聲波的(de)振幅、相位等。
因此，哈佛團隊的電-聲調制器是在一個集成的鈮酸鋰(LN)平(ping)臺上制作的，b圖(tu)可以(yi)清楚地看到，SiN在(zai)LN基板上沉積(ji)，中(zhong)間形成了(le)聲波(bo)的波(bo)導。
采用鈮酸鋰(LN)是因為其具(ju)備(bei)良好(hao)的壓電(dian)性(xing)能，即施加電(dian)壓LN會產生相(xiang)應的彈性(xing)形變。
接(jie)下來，我們來看看聲波是從哪里來的，在調制之前經歷了(le)什么？
電-聲調制器的兩端，有兩對叉指換能器（IDT），它的作(zuo)用(yong)是實現(xian)聲-電換能，可以用(yong)于電激發和檢測(ce)微波(bo)聲波(bo)。
因為IDT的寬度大于聲(sheng)波(bo)波(bo)導(dao)的寬度，所以需要使用錐形波(bo)導(dao)結構將波(bo)耦合到聲(sheng)波(bo)波(bo)導(dao)中。
最后(hou)，聲波(bo)傳入到波(bo)導之后(hou)，怎么(me)來調制聲波(bo)呢？
這時(shi)就需要(yao)一個電場，通過生成電壓，調制聲波。
因此，在(zai)SiN上沉積了一層鋁電極，在(zai)兩個鋁電極上接通電源，便產生一個電場。
這便(bian)是“電(dian)-聲調制(zhi)器”的基本構(gou)造(zao)了。
那它是如何(he)通過對(dui)聲(sheng)波(bo)進行調制，來(lai)實現數據傳輸的呢？
如何調制聲波以實現信號傳輸
在波導(dao)中，聲波是被(bei)直(zhi)接調制的。
在調制電極上施加直流偏置電壓時，圖b可以觀察到聲波的相(xiang)位移動了π/2。
如果想要改變聲波的振幅，該如何調制呢？
哈佛團隊通過構建推拉結構中的聲馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)來實現。
輸入的聲波(bo)在兩個MZI臂之間被平均分割(ge)。施加在這兩個波(bo)導上的電(dian)場方(fang)向相反，兩個分裂(lie)波(bo)在每一臂上傳播時(shi)的相位剛好是相反的。
可以結合(he)這個圖來看：
上(shang)面已經(jing)提到，通過改變施加在電(dian)極上(shang)的(de)電(dian)壓可以控制相位，隨后，兩(liang)個波重新結合時，振幅就會產生相應(ying)的(de)改變。
除此之外，電-聲調制器還可以進行聲波的非互易調制。
基于非(fei)互易性(xing)的器件(jian)，是很多非(fei)傳統量子計算、量子測量和量子網絡等特殊量子信息處理協議中不可或缺的一部分(fen)。
聲波的非互易性(xing)，就是指聲波在介質中(zhong)沿著相反(fan)的方向傳輸產生(sheng)的損耗不同。
那聲波的非(fei)互易性怎(zen)么依靠調制器來實現呢？
將調制電(dian)極(ji)分成三(san)段，通過調整施加于每個(ge)電(dian)極(ji)上的(de)調制信號的(de)相(xiang)對相(xiang)位，來控制準(zhun)移動電(dian)場(chang)的(de)波數(shu)。
可(ke)以看圖b，當調(diao)制(zhi)信(xin)號在(zai)(zai)一個(ge)方向與移動聲(sheng)波相位匹(pi)配、但在(zai)(zai)相反方向不匹(pi)配時，便實現了非互易聲(sheng)波調(diao)制(zhi)。
聲學芯片研究的意義
電(dian)聲(sheng)調制器在(zai)低溫(wen)兼容性、調制效率、制造簡(jian)單性和可(ke)擴展(zhan)性方面(mian)具有顯(xian)著的(de)優勢，這使大規模集成的(de)聲(sheng)學(xue)信息(xi)處理(li)系統成為(wei)可(ke)能。
相(xiang)較于(yu)電磁波的芯(xin)片(pian)，聲(sheng)波芯(xin)片(pian)還有(you)一(yi)些潛在(zai)的優勢，聲(sheng)波很(hen)容易(yi)被限制在(zai)微小(xiao)的波導結(jie)構中，且(qie)(qie)互不干擾，并(bing)且(qie)(qie)它們與(yu)系統的其他部分(fen)有(you)很(hen)強的相(xiang)互作用(yong)。
哈佛大學教(jiao)授Marko Lon?ar也表示：
聲波(bo)很(hen)有希望成為(wei)量子和經(jing)典信息處(chu)理(li)芯片(pian)上的信息載(zai)體。
如(ru)果(guo)你(ni)想更加深入地(di)了解(jie)(jie)聲學(xue)芯片的話，可以(yi)戳下文的論(lun)文鏈接了解(jie)(jie)。
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