2026年8月21日——一种能够产生精确排列的“彩虹”光的微型芯片，有望解锁更快、 更大容量的6G通信 以及 量子技术的精密计时。

拉夫堡大学（Loughborough University）的物理学家与一支国际团队证明，一枚米粒大小的微型芯片可用于产生一组频率间隔精确的光频谱，并可将该频谱转换为多个高频电磁信号，即毫米波。

毫米波因能提供大得多的带宽——本质上就是更大的数据传输空间——而日益受到未来通信领域的关注，但要以先进技术所需的精度和稳定性来产生毫米波仍然充满挑战。

“世界对数据的渴求与日俱增。我们希望以更快的速度、更高的分辨率发送和接收更多信息，而毫米波有望提供实现这一目标所需的容量。”拉夫堡大学新兴光子学研究中心（Emergent Photonics Research Centre）的Luke Peters博士表示。

“它们最终可能助力实现更快、容量更大的6G网络，但其潜力远不止于通信领域。这些频率还可用于雷达系统、光谱学以及天文仪器，帮助科学家研究材料，并对宇宙进行极其精确的测量。

“这些应用距离现实还有一段路要走，在该技术用于实际系统之前仍需克服诸多挑战——但我们最新的工作已经攻克了一项重大挑战。”

产生毫米波的一种方法是使用微梳——一种高度精确的光频率频谱，其排列方式与彩虹的颜色相似，但人眼无法看见。这些光频率可通过专用天线转换为毫米波。

此前的研究利用微梳生成了单一且精确的毫米波频率。若能在同一时间产生多个频率，就可以开辟多条并行数据传输通道——但这需要极其清晰且稳定的微梳。

在发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的新论文中，由拉夫堡大学主导的团队恰好实现了这一点。他们创建了一套系统，能够产生稳定、高质量的微梳，并可将其一次性转换为多个频率间隔精确的毫米波频率。

关键在于该团队生成微梳的方式。微梳通常是将激光照射进微谐振器中产生的——微谐振器是微芯片上的一种微型结构，能够捕获并循环传输光线。

拉夫堡团队的设计则有所不同：他们将基于芯片的微谐振器与更大的光纤环路相结合，构建了一个激光持续在两者之间循环的系统。

“我们实际上创造了一个极其精确且稳定的‘芯片上的彩虹’——光纤环路不断将光反馈回芯片，使这些状态得以高效积累、自行启动，即使在系统受到干扰时也能保持稳定。”Peters博士表示。

“它还非常稳固耐用。我们甚至让人在系统旁边跳上跳下，微梳依然保持稳定。”

在最新研究中，该团队还证明他们可以控制微梳的“彩虹”，使某些频率增强或减弱。至关重要的是，他们展示了微梳的精度和稳定性能够延续到其产生的毫米波信号中。

“能够单独增强或减弱某个频率，让我们对所产生信号的控制力大大增强，因为不同的应用需要不同的频率组合。”Peters博士表示。

“同样重要的是，我们证明了微梳的精度会延续到毫米波中。这为我们提供了一整套高度可控的信号，而这正是精度和稳定性至关重要的应用所需要的。

“同样的精度水平对于计时也极具价值。精密计时是新兴量子技术的核心所在，而这类技术要求极高的精确度。”

下一步

研究人员目前正在探索如何将微梳技术从实验室推向更广泛的应用领域。

尽管核心微芯片只有米粒大小，但整套系统目前仍是台式实验室装置。未来的版本可能会更加紧凑、更加节能——甚至可能小到能装进一只鞋盒。

该团队尤其感兴趣的是探索这项技术有朝一日能否应用于卫星，因为尺寸、重量和功耗在卫星上至关重要。

量子技术的精密计时

研究人员还在探索其微梳装置能达到多高的精度。该团队正在将其与精密时钟进行比对测试，并通过与英国国家物理实验室（National Physical Laboratory）的合作，探索其在计时、导航和定位方面的潜在应用。该团队也是英国国家物理实验室与英国量子赋能定位、导航与授时中心（UK Hub for Quantum Enabled Position, Navigation and Timing，QEPNT）工作的重要组成部分。

“我们非常期待看到这些微梳的精度和稳定性究竟能达到何种程度，尤其是对于那些依赖极高精度计时的技术。”主持微梳稳定性测量的Antonio Cutrona博士表示。

“我们希望这项研究以及我们的系统能够开辟新的途径，将原子钟的超凡精度带入更紧凑的计时、导航和定位技术之中。通过与英国国家物理实验室及英国量子赋能定位、导航与授时中心的更广泛合作来探索这些可能性，尤其令人振奋。”