通过约瑟夫森效应产生相干微波频率梳

将微小电路变成精密的时间尺

从 GPS 到光纤网络，现代技术依赖对时间与频率的极高精度测量。这项研究展示了如何用几乎不耗能的微型超导电路产生“频率梳”——由等间距微波颜色组成的标尺。这样的片上频率梳可以成为未来量子计算机和超灵敏探测器的关键构件，有望把占据整间实验室的设备缩小到芯片尺度。

用于测量频率的颜色标尺

频率梳就像频谱篱笆：一系列等间距、相位锁定的音调，使科学家能够以极高精度把无线电、微波和光联系起来。光学频率梳已经革新了精密计量与原子钟，但体积庞大且工作在非常高的频率范围。许多量子器件，尤其是超导和自旋型量子比特，则在约 8 GHz 以下工作，处于常规电子学使用的微波频段。在这些频率上直接构建紧凑、低损耗的片上频率梳，会极大简化在低温冰箱内控制和读出大规模量子比特阵列的工作。

作为梳源的微小超导环

作者使用一种称为直流超导量子干涉器件（dc SQUID）的器件实现了这样的梳发生器，器件由铝在芯片上制备。SQUID 本质上是一个被两个约瑟夫森隧道结打断的小型超导环。邻近的片上线在环内送入振荡的磁通，而一条传输线将电信号带走。当静态磁通偏置调到接近半个磁通量子并施加一个正弦磁驱动时，SQUID 上的量子相位随时间演化。由于约瑟夫森效应，这一变化的相位产生交替符号的尖锐电压脉冲列，向微波电路传播。

从时间域的脉冲到频率域的梳

任何在时间上重复的模式通过傅里叶分析都会转化为频率上等间距的音调集合。在该器件中，电压脉冲的重复率由驱动频率直接决定，而每个脉冲的锐利程度决定出现多少谐波。团队在 4–8 GHz 的 C 波段测量到发射谱，观察到几十条窄且规则间隔的谱线，位于驱动频率的整数倍处，至少达到了第 46 阶模式。重要的是，没有使用谐振腔：梳的间距就是泵浦频率，原则上可以从吉赫兹扫到太赫兹范围。频谱也没有额外的频率偏移，简化了与参考时钟的对齐方式。

相干性、可控性与低功耗

要被称为真正的频率梳，谱线不仅要等间距，还必须保持稳定的相对相位。研究者用高分辨率频谱分析仪和能够记录同相与正交分量的外差系统探测各阶谐波。他们发现谱线极窄，受测量仪器限制约为三分之一赫兹，意味着相干时间达数秒。通过在驱动线上插入可控相移器，他们显示改变泵浦相位会按谱线阶数成比例地旋转梳线相位，确认了模式间固定且可调的相位关系。电路仿真与测得的谐波功率对磁通和驱动强度的依赖高度一致。得益于器件的超导特性，每个脉冲耗散的能量极小，典型工作条件下总功率约为 10⁻¹⁸ 瓦——与现代稀释制冷机的制冷功率相比可忽略不计，也远低于低温 CMOS 电子学的功耗。

迈向用于量子技术的片上工具

通过展示来自微米级 SQUID 的相干、可调微波频率梳，这项工作为将精密频率工具直接与量子处理器和传感器集成开辟了道路。无谐振腔、极低耗散和小巧占地使该设计对可扩展低温电子学具有吸引力，例如复用的量子比特控制、片上器件的频率梳光谱学以及多比特纠缠操作。未来通过调整 SQUID 的对称性或几何结构可提升输出功率并扩展可及频率范围，使紧凑的固态频率梳更接近在量子技术中实际部署的目标。

引用: Greco, A., Ballu, X., Giazotto, F. et al. Coherent microwave comb generation via the Josephson effect. Nat Commun 17, 2972 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69652-1

关键词: 频率梳, 超导电路, 约瑟夫森效应, 微波量子技术, SQUID 器件