現在，在芯片中也可以用聲波傳輸數據了。看到這裡你可能會疑惑：光學芯片不是還在發展中，怎麼又出來個聲學芯片？其實，聲學集成電路一直都在發展，聲波相較於光來說速度會更慢，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“折返”以獲取數據。

如果用速度更快的光波，“折返”一次所需的距離會更大，可能會超出現有設備能測量的範圍，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。

現在，哈佛大學的相關研究終於表明：

聲波在芯片中傳輸數據也是有可能的，通過一種特殊的芯片結構，就能夠很好地控制並傳遞聲波。

那麼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據？

在傳統的電學芯片中，用來傳輸數據的是電子，它通過像晶體管之類的元件進行調製，將輸入的數據編碼，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製，具體也就是將光子作為載波，用於傳輸信號源。

傳輸的介質是一種叫“波導”的東西，它會給光子提供一個傳輸的狹窄通道。

我們所要講的聲學芯片呢，原理和光學芯片差不多。

用什麼調製聲波？

在哈佛團隊這篇研究中，他們展示了一種可擴展聲-電平台，可以用來設計聲學芯片。

首先需要設計一個電-聲調製器，它可以用來調製聲波。

電-聲調製器，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）發生彈性響應，進而來調節聲波的振幅、相位等。

因此，哈佛團隊的電-聲調製器是在一個集成的鈮酸鋰(LN) 平台上製作的，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。

採用鈮酸鋰(LN) 是因為其具備良好的壓電性能，即施加電壓LN 會產生相應的彈性形變。

接下來，我們來看看聲波是從哪裡來的，在調製之前經歷了什麼？

電-聲調製器的兩端，有兩對叉指換能器（IDT），它的作用是實現聲-電換能，可以用於電激發和檢測微波聲波。

因為IDT 的寬度大於聲波波導的寬度，所以需要使用錐形波導結構將波耦合到聲波波導中。

最後，聲波傳入到波導之後，怎麼來調製聲波呢？

這時就需要一個電場，通過生成電壓，調製聲波。

因此，在SiN 上沉積了一層鋁電極，在兩個鋁電極上接通電源，便產生一個電場。

這便是“電-聲調製器”的基本構造了。

那它是如何通過對聲波進行調製，來實現數據傳輸的呢？

如何調製聲波以實現信號傳輸

在波導中，聲波是被直接調製的。

在調製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，該如何調製呢？

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。

可以結合這個圖來看：

上面已經提到，通過改變施加在電極上的電壓可以控制相位，隨後，兩個波重新結合時，振幅就會產生相應的改變。

除此之外，電-聲調製器還可以進行聲波的非互易調製。

基於非互易性的器件，是很多非傳統量子計算、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。

聲波的非互易性，就是指聲波在介質中沿著相反的方向傳輸產生的損耗不同。

那聲波的非互易性怎麼依靠調製器來實現呢？

將調製電極分成三段，通過調整施加於每個電極上的調製信號的相對相位，來控制準移動電場的波數。

可以看圖b，當調製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，便實現了非互易聲波調製。

聲學芯片研究的意義

电声调制器在低温兼容性、调制效率、制造简单性和可扩展性方面具有显著的优势，这使大规模集成的声学信息处理系统成为可能。

相較於電磁波的芯片，聲波芯片還有一些潛在的優勢，聲波很容易被限制在微小的波導結構中，且互不干擾，並且它們與系統的其他部分有很強的相互作用。

哈佛大學教授Marko Lončar 也表示：

聲波很有希望成為量子和經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：

按一下以存取 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/

來源：量子位