为了实现这一目标，集成美国国家标准与技术研究院(NIST) 的光芯国推科学家及其合作者取得了一项重大进展：他们开创性地开发出一种制造光集成电路的方法，即在硅片上沉积复杂的片美特殊材料图案。这些所谓的出新光子芯片利用激光器、波导、集成滤波器和开关等光学器件来传输光信号并处理信息。光芯国推这项新进展有望极大地推动人工智能、片美量子计算机和光原子钟等新兴技术的出新发展。
美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家斯科特·帕普表示，集成制造像电子电路一样强大且无处不在的光芯国推光电路是当今的技术前沿之一。帕普的片美研究团队领导了这项研究，相关成果已于本周发表在 《自然》杂志上。出新“我们正在学习如何制造具有多种功能的集成复杂电路，这些电路的光芯国推应用领域非常广泛。”
在信息传输和处理方面，片美光能做到电做不到的事情。光子——光的粒子——在电路中传输信息的速度远比电子快。
激光对于控制强大的新兴量子技术（如光原子钟和量子计算机）也至关重要。
但集成光子学要真正蓬勃发展，仍面临诸多挑战。其中之一便是激光器。高质量、紧凑且高效的激光器目前仅能产生少数几种波长（或颜色）的光。例如，半导体激光器非常擅长产生波长为980纳米（即十亿分之一米）的红外光——这种颜色的光刚好超出人眼可见范围。
诸如光学原子钟和量子计算机等新兴技术也需要多种其他颜色的激光。然而，产生这些颜色的激光器体积庞大、成本高昂且耗电量巨大，这实际上限制了这些量子技术的应用，使其仅限于少数专用实验室。
通过将激光器集成到芯片电路中，科学家们希望能够帮助量子技术变得更便宜、更便携，从而使其能够开始实现其巨大的潜力。
NIST 的新型光子芯片有点像千层蛋糕。NIST 的物理学家帕普和格兰特·布罗德尼克及其同事以一块标准的硅晶片为基础，该晶片涂覆有二氧化硅（玻璃）和铌酸锂，铌酸锂是一种所谓的非线性材料，可以改变入射光的颜色。
研究人员随后添加了金属片，以电控方式控制电路中不同颜色光的转换。科学家们还创建了其他金属-铌酸锂界面，使他们能够快速地在电路中开关光——这对于数据处理和高速路由至关重要。
更令人惊喜的是，另一种非线性材料——五氧化二钽（简称钽铁矿）——的出现。钽铁矿能够以神奇的方式转换光，它能吸收单一颜色的激光，并发出完整的可见光彩虹以及各种红外波长的光。帕普及其同事多年来致力于 研发无需加热即可用钽铁矿制造电路的技术 ，使得这种材料可以沉积到其他材料上而不会造成损坏。
研究人员通过将不同材料以三维堆叠的方式层叠排列，制造出一种能够高效地在各层之间传输光线的单芯片。这使得他们能够将钽金属的光操控特性与铌酸锂的可控性相结合。布罗德尼克表示，这项新技术“实现了无缝集成”。“真正的优势在于，钽金属可以添加到现有的电路中。”
最终，研究人员成功地将大约50个指甲盖大小的芯片（每个芯片包含1万个光子电路，每个电路输出一种独特的颜色）集成到一块与啤酒杯垫大小相仿的晶圆上。“我们只需设计电路就能创造出所有这些不同的颜色，”帕普说道。
量子技术，例如量子钟和量子计算机，可能是集成光子学的最大受益者之一。这些设备通常利用原子阵列来存储和处理信息。对于每种原子，物理学家都需要定制与其内部量子能级相匹配的激光器。例如，常用于量子计算机和量子钟的铷原子对波长为780纳米的红光有响应。另一种常用的原子——锶原子则“看到”波长为461纳米的蓝光。用其他颜色的光照射这些原子，则不会发生任何反应。
产生这些定制颜色所需的笨重、昂贵且复杂的激光器一直是量子计算机和光钟走出实验室、走向实际应用的主要障碍，而它们在实际应用中本可以产生巨大的影响。例如，廉价、低功耗、便携式光钟可以帮助预测火山爆发和地震，为定位和导航提供GPS的替代方案，并帮助科学家探索暗物质的本质等科学谜题。量子计算机则有望为研究药物和材料的物理化学性质提供新的途径。
集成光子电路并非仅限于量子计算。帕普认为，美国国家标准与技术研究院（NIST）的光子芯片可以帮助科技公司高效地在专用芯片之间传输信号，从而有可能提升人工智能工具的功能和效率。科技公司也对利用光子技术改进虚拟现实显示效果很感兴趣。
帕普和布罗德尼克表示，虽然NIST的芯片尚未准备好量产，但其制造技术为未来的发展指明了方向。NIST的科学家们与位于科罗拉多州路易斯维尔的初创公司Octave Photonics的专家合作，该公司由NIST的前研究人员创立，目前正致力于扩大这项技术的规模。
“当你在实验室里看到芯片发光，吸收不可见光，并在一个集成芯片中产生所有这些可见光时——很明显，它可能有很多潜在的应用，”帕普说。
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