新型光子芯片突破：单色光转三色光助力量子计算

美国马里兰大学的研究团队近日宣布，他们成功研制出一种新型光子芯片。这种芯片能够将单色激光光源被动转换为红、绿、蓝三色光，无需任何主动控制或反复优化即可稳定工作。这一技术突破为量子计算、高精度频率测量及光学计量研究提供了全新的工具。相关研究成果已发表在最新一期的《科学》杂志上。

传统的光子器件虽然能够捕捉和操控光子，实现光子流的分离、引导、放大和干涉，但其功能有限且难以批量稳定生产。与普通棱镜只分解光色不同，这种新型芯片可以直接产生输入光中原本不存在的新频率，不仅节省了额外激光器的空间和能量，还能产生当前尚不存在的光频率。

技术原理与创新

实现这一功能依赖于特殊的非线性光-物质相互作用。然而，非线性效应通常非常微弱。为了增强效果，科学家们使用光子谐振器让光在芯片中循环多次，使得弱效应叠加形成明显效果。不过，单一谐振器生成多种频率仍存在局限。

此前，研究团队提出使用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，并将脉冲激光转化为多频率光。在最新研究中，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。

实验显示，六块同一晶圆上的芯片在输入标准190THz激光后，均产生了二、三、四次谐波光，分别对应红、绿、蓝三色光。而三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。

“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。”研究团队表示。

随着输入光强度的增加，芯片还能生成更多频率的光，类似于此前的多频率光效果。这一方法在光学计量、频率转换和非线性光学计算等领域具有广泛影响，能够高效工作且无需主动调节，为芯片光源的多功能、批量化应用提供了新思路。

这一突破引起了光子学领域专家的广泛关注。专家们认为，这项技术不仅在理论研究上具有重要意义，还可能在实际应用中带来革命性变化。通过降低对外部控制的依赖，新型光子芯片有望在未来的量子计算机和先进光学设备中扮演关键角色。

展望未来，研究团队计划进一步优化芯片设计，以提高其在不同应用场景下的适应性和效率。随着技术的不断进步，这种新型光子芯片可能会成为推动光子技术发展的重要力量。