南大研制全新超導微波頻率梳信號源

南京大學電子學院超導電子學研究所研究團隊研制出一種完全集成且直流電驅動的超導微波頻率梳信號源，易于制造和操作，且能耗極低，有望成為片上集成量子芯片的關鍵信號源，從而推動超導量子科技的發展。這項研究在國際上首次實現了完全片上集成的頻率梳信號源。日前，相關研究成果發表于《自然—通訊》。

基于超低能耗的片上集成微波頻率梳有望實現片上集成的量子芯片。課題組供圖

頻率梳是一種能夠發射多條等間隔頻譜線的特殊激光源，廣泛應用于光學鐘、激光雷達、光譜學和光神經網絡等高精度測量領域。片上集成頻率梳已經在光學領域取得了顯著進展，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空白，充滿了機遇和挑戰。

研究團隊歷經五年，成功實現了一種基于超導材料的片上集成微波頻率梳信號源，其產生的微波信號在頻譜上為一系列等間隔的譜線，時域上為一系列高度相干的調制脈沖微波信號。該器件結構簡單，操作便捷，僅由一個極低功耗的直流信號進行驅動。

該研究的核心是一種超導頻率梳信號源，由直流偏置電源驅動的約瑟夫森結與超導共面波導諧振器直接耦合實現的。研究人員成功實現了頻率梳的自啟動模式鎖定，功耗僅為幾十皮瓦。該頻率梳工作在微波頻段，其線寬可通過獨特的相干注入鎖定技術縮小至1赫茲以內，從而實現了高精度的頻率控制。

這一突破性成果特別是在開發低成本的片上集成任意波形發生器方面，為未來的量子技術應用帶來重要變革。作為片上集成量子芯片的信號源，超導微波頻率梳不僅具有極高的能效，還可在超低溫環境下工作，與現有的超導量子電路完美契合。其超低能耗使得在中小型稀釋制冷機中理論上可以容納數百萬個集成頻率梳信號源。

這項研究拓展了超導約瑟夫森結器件的應用。超導微波頻率梳的應用將顯著降低超導量子計算的成本、體積、能耗、糾錯的難度，從而促進未來大規模集成通用量子計算的發展和應用。通過這一技術，有望大幅提高量子計算的規模和復雜度。

南京大學電子科學與工程學院博士生王晨光為論文第一作者，南京大學電子科學與工程學院教授王永磊、王華兵和中國科學院院士吳培亨為論文共同通訊作者。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48224-1