過去，芯片是電子器件的集合，而如今，一種以“光”為核心的全新芯片體系正加速成形。量子光子芯片，將光子作為信息載體，集成發(fā)光、調(diào)控、探測等功能單元，在納米尺度上完成量子態(tài)的操控、傳輸與轉(zhuǎn)換，成為連接量子計(jì)算、量子傳感與量子通信的關(guān)鍵平臺(tái)。

這一領(lǐng)域正成為量子信息科學(xué)的核心研究熱點(diǎn)，吸引了全球頂尖研究機(jī)構(gòu)的投入。近期，三項(xiàng)發(fā)表在《Nature》《Nature Nanotechnology》和《Communications Materials》上的研究，分別在光子量子計(jì)算平臺(tái)、基于金剛石的高靈敏度傳感器與微波-光頻率轉(zhuǎn)換器方向?qū)崿F(xiàn)重要突破。這些成果不僅驗(yàn)證了量子光子芯片的工程可行性，更展現(xiàn)了其在未來構(gòu)建可擴(kuò)展、低噪聲、強(qiáng)互聯(lián)的量子系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。

在發(fā)表于《Nature》的研究中，PsiQuantum 公司（美國）聯(lián)合GlobalFoundries，通過工業(yè)級(jí) 300 mm 硅光子工藝，提出并驗(yàn)證了一種可大規(guī)模制造的光子量子計(jì)算平臺(tái)。該平臺(tái)集成了光子對生成、調(diào)控干涉、量子測量與芯片間互聯(lián)等多個(gè)功能模塊，構(gòu)建了支持雙軌編碼的量子比特系統(tǒng)。

研究者采用硅光子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)結(jié)合超導(dǎo)單光子探測器（SNSPD），實(shí)現(xiàn)了以下關(guān)鍵指標(biāo)：

• 單量子比特制備與測量保真度達(dá) 99.98% ± 0.01%；

• 獨(dú)立源間 Hong–Ou–Mandel 干涉可見度為

  99.50% ± 0.25%；

• 雙比特 Bell 態(tài)融合保真度達(dá) 99.22% ± 0.12%；

• 芯片間量子比特互聯(lián)保真度為 99.72% ± 0.04%

  （光纖連接，C 波段傳輸）。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還展示了面向容錯(cuò)計(jì)算所需的下一代器件，包括低損耗氮化硅波導(dǎo)（<0.5 dB/m）、高效率光子數(shù)分辨探測器（PNRDs）及 BTO 電光調(diào)制器，為大規(guī)模容錯(cuò)光子量子計(jì)算系統(tǒng)奠定了器件基礎(chǔ)。

圖1 量子基準(zhǔn)電路

（這些電路可以通過示意圖中紅色指示的熱移相器進(jìn)行重新配置）

a：量子態(tài)制備和測量示意圖；

b：點(diǎn)對點(diǎn)量子比特網(wǎng)絡(luò)；

c：雙光子量子干涉；

d：雙量子比特融合測量。

東京工業(yè)大學(xué) Katsumi Ryota 等人報(bào)道了一種基于金剛石微環(huán)諧振器的集成量子磁傳感器。該器件通過在金剛石單晶中引入高密度 NV（nitrogen-vacancy）色心，并構(gòu)建微米級(jí)光學(xué)諧振腔，實(shí)現(xiàn)對磁場的高靈敏度探測，適用于納米尺度的物理場測量。

在器件制備方面，研究者采用“pick-flip-and-place”轉(zhuǎn)印工藝，將微環(huán)結(jié)構(gòu)高效集成至 SiO? 光子平臺(tái)，并利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對 NV 色心熒光信號(hào)的高效耦合與讀取。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在室溫下即可穩(wěn)定運(yùn)行，ODMR（光學(xué)檢測磁共振）信號(hào)對比度達(dá)到 25%，接近理論極限，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 NV 色心的自旋操控，相干時(shí)間（T?）可達(dá) 6.0 微秒。在磁場靈敏度方面，原始結(jié)構(gòu)下可達(dá)到 1.0 μT/√Hz，通過引入光波導(dǎo)耦合優(yōu)化后，進(jìn)一步提升至 1.3 nT/√Hz，展現(xiàn)出優(yōu)異的信號(hào)獲取能力。

該工作證明了金剛石量子傳感器在微納尺度集成、光子耦合效率與高靈敏度磁測量方面的潛力，為構(gòu)建芯片級(jí)生物醫(yī)學(xué)和材料分析傳感器奠定了基礎(chǔ)。

圖2 

a：金剛石環(huán)諧振器與SiN低損耗波導(dǎo)光學(xué)耦合的示意圖。

（插圖：所研究結(jié)構(gòu)的橫截面）

b：637nm處腔諧振模式的電場分布（Ey分量）。

加州理工學(xué)院 Mirhosseini 團(tuán)隊(duì)提出了一種基于硅納米力學(xué)諧振結(jié)構(gòu)的微波-光子量子轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了在單光子噪聲水平下的連續(xù)轉(zhuǎn)導(dǎo)操作。該系統(tǒng)面向低溫超導(dǎo)量子比特與遠(yuǎn)程光子通信節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)需求，是構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵器件之一。

該器件通過電靜力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)微波與機(jī)械模態(tài)之間的耦合，同時(shí)利用光彈效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)有效轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào)，從而在同一納米結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了微波、機(jī)械與光學(xué)三者的協(xié)同交互。實(shí)驗(yàn)顯示，該系統(tǒng)在不依賴脈沖操作的連續(xù)驅(qū)動(dòng)模式下，成功將微波信號(hào)上轉(zhuǎn)換至光頻，且整個(gè)過程中的輸入?yún)⒖几郊釉肼暤椭?n?dd = 0.58，達(dá)到了“量子可用”門檻。此外，該轉(zhuǎn)換器在特定參數(shù)下實(shí)現(xiàn)了22%的轉(zhuǎn)導(dǎo)效率，帶寬-效率乘積約為1.9 kHz，相較于現(xiàn)有同類系統(tǒng)提升了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。更重要的是，該系統(tǒng)完全基于硅材料構(gòu)建，規(guī)避了壓電材料對超導(dǎo)量子器件可能造成的相干性損耗，具有良好的 CMOS 兼容性與低溫操作穩(wěn)定性。

圖3 電光機(jī)械傳感器示意圖

機(jī)械諧振器通過同時(shí)耦合到微波諧振器和光學(xué)諧振器

來介導(dǎo)微波-光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換。

輸入微波信號(hào)通過靜電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振蕩。

機(jī)械振蕩調(diào)制泵浦光腔，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)換后的光輸出。

圖5 芯片的光學(xué)顯微鏡圖像

綜上所述，三項(xiàng)前沿研究分別從量子計(jì)算核心平臺(tái)（PsiQuantum）、高靈敏度量子傳感器（東京工業(yè)大學(xué)）和量子互聯(lián)接口（加州理工學(xué)院）出發(fā)，展示了光子芯片在不同子系統(tǒng)中的集成路徑與關(guān)鍵性能突破。這些成果不僅證明了光子平臺(tái)在低噪聲、高保真、強(qiáng)互聯(lián)方面的天然優(yōu)勢，也預(yù)示著量子系統(tǒng)從“實(shí)驗(yàn)演示”走向“可制造、可部署”的新階段。這也對器件制造提出了更高要求，特別是對亞微米結(jié)構(gòu)、高縱深刻蝕、高折射率材料加工等方面的精度與一致性控制提出挑戰(zhàn)。

XRnanotech 擁有成熟的微納結(jié)構(gòu)加工平臺(tái)，具備在高精度硅、金剛石、氮化硅等材料體系上進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)加工制造的能力。對于文中所涉及的波導(dǎo)、環(huán)形諧振器、光學(xué)腔體、集成探測器窗口等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，我們可以提供定制化工藝支持與快速原型加工服務(wù)。

我們歡迎從事量子計(jì)算、量子傳感、量子通信相關(guān)研究的老師與團(tuán)隊(duì)聯(lián)系我們交流合作需求，XRnanotech 將為您的項(xiàng)目提供可靠的微納結(jié)構(gòu)制造支持。

作者：Albus

審核：凱文

排版：阿朵

參考文獻(xiàn)：

[1] A manufacturable platform for photonic quantum computing[J]. Nature, 2025: 1-3.

[2] Katsumi R, Takada K, Kawai K, et al. High-sensitivity nanoscale quantum sensors based on a diamond micro-resonator[J]. Communications Materials, 2025, 6(1): 1-8.

[3] Zhao, Han, et al. "Quantum-enabled microwave-to-optical transduction via silicon nanomechanics." Nature Nanotechnology (2025): 1-7.

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