頻率梳是一種能夠發(fā)射多條等間隔頻譜線的特殊激光源，廣泛應(yīng)用于光學(xué)鐘、激光雷達(dá)、光譜學(xué)和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高精度測量領(lǐng)域。片上集成頻率梳已經(jīng)在光學(xué)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，然而低溫工作的微波頻段完全片上集成頻率梳依然是一個(gè)空白，充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)五年，成功實(shí)現(xiàn)了一種基于超導(dǎo)材料的片上集成微波頻率梳信號源，其產(chǎn)生的微波信號在頻譜上為一系列等間隔的譜線，時(shí)域上為一系列高度相干的調(diào)制脈沖微波信號。該器件結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，僅由一個(gè)極低功耗的直流信號進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

      該研究的核心是一種超導(dǎo)頻率梳信號源，由直流偏置電源驅(qū)動(dòng)的約瑟夫森結(jié)與超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振器直接耦合實(shí)現(xiàn)的。研究人員成功實(shí)現(xiàn)了頻率梳的自啟動(dòng)模式鎖定，功耗僅為幾十皮瓦。該頻率梳工作在微波頻段，其線寬可通過獨(dú)特的相干注入鎖定技術(shù)縮小至1 Hz以內(nèi)（圖3），從而實(shí)現(xiàn)了高精度的頻率控制。

     這一突破性成果在超導(dǎo)量子科技領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，特別是在開發(fā)低成本的片上集成任意波形發(fā)生器方面，為未來的量子技術(shù)應(yīng)用帶來重要變革。作為片上集成量子芯片的信號源，超導(dǎo)微波頻率梳不僅具有極高的能效，還可在超低溫環(huán)境下工作，與現(xiàn)有的超導(dǎo)量子電路完美契合。其超低能耗使得在中小型稀釋制冷機(jī)中理論上可以容納數(shù)百萬個(gè)集成頻率梳信號源。

      這項(xiàng)研究在國際上首次實(shí)現(xiàn)了完全片上集成的頻率梳信號源，拓展了超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)器件的應(yīng)用。超導(dǎo)微波頻率梳的應(yīng)用將顯著降低超導(dǎo)量子計(jì)算的成本、體積、能耗、糾錯(cuò)的難度，從而促進(jìn)未來大規(guī)模集成通用量子計(jì)算的發(fā)展和應(yīng)用。通過這一技術(shù)，有望大幅提高量子計(jì)算的規(guī)模和復(fù)雜度。

      南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生王晨光為該工作的第一作者。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王永磊教授、王華兵教授和吳培亨院士為該工作的共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、紫金山實(shí)驗(yàn)室、自旋芯片與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的支持。

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