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，成為連接量子計算、量子傳感與量子通信的關鍵平臺。

這一領域正成為量子信息科學的核心研究熱點，吸引了全球頂尖研究機構的投入。近期，三項發(fā)表在《Nature》《Nature Nanotechnology》和《Communications Materials》上的研究，分別在光子量子計算平臺、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。這些成果不僅驗證了量子光子芯片的工程可行性，更展現(xiàn)了其在未來構建可擴展、低噪聲、強互聯(lián)的量子系統(tǒng)中的關鍵作用。

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 300 mm 硅光子工藝，提出并驗證了一種可大規(guī)模制造的光子量子計算平臺。該平臺集成了光子對生成、調(diào)控干涉、量子測量與芯片間互聯(lián)等多個功能模塊，構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結構結合超導單光子探測器（SNSPD），實現(xiàn)了以下關鍵指標：

• 單量子比特制備與測量保真度達 99.98% ± 0.01%；

• 獨立源間 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 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，團隊還展示了面向容錯計算所需的下一代器件，包括低損耗氮化硅波導（<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)模容錯光子量子計算系統(tǒng)奠定了器件基礎。

圖1 量子基準電路

（這些電路可以通過示意圖中紅色指示的熱移相器進行重新配置）

a：量子態(tài)制備和測量示意圖；

b：點對點量子比特網(wǎng)絡；

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 Katsumi Ryota 等人報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，并構建微米級光學諧振腔，實現(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)結構高效集成至 SiO? 光子平臺，并利用波導結構實現(xiàn)對 NV 色心熒光信號的高效耦合與讀取。實驗表明，該系統(tǒng)在室溫下即可穩(wěn)定運行，ODMR（光學檢測磁共振）信號對比度達到 25%，接近理論極限，同時實現(xiàn)了 NV 色心的自旋操控，相干時間（T?）可達 6.0 微秒。在磁場靈敏度方面，原始結構下可達到 1.0 μT/√Hz，通過引入光波導耦合優(yōu)化后，進一步提升至 1.3 nT/√Hz，展現(xiàn)出優(yōu)異的信號獲取能力。

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，為構建芯片級生物醫(yī)學和材料分析傳感器奠定了基礎。

圖2 

a：金剛石環(huán)諧振器與SiN低損耗波導光學耦合的示意圖。

（插圖：所研究結構的橫截面）

b：637nm處腔諧振模式的電場分布（Ey分量）。

加州理工學院 Mirhosseini 團隊提出了一種基于硅納米力學諧振結構的微波-光子量子轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了在單光子噪聲水平下的連續(xù)轉(zhuǎn)導操作。該系統(tǒng)面向低溫超導量子比特與遠程光子通信節(jié)點之間的互聯(lián)需求，是構建量子互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的關鍵器件之一。

該器件通過電靜力驅(qū)動實現(xiàn)微波與機械模態(tài)之間的耦合，同時利用光彈效應將機械振動有效轉(zhuǎn)化為光學信號，從而在同一納米結構中實現(xiàn)了微波、機械與光學三者的協(xié)同交互。實驗顯示，該系統(tǒng)在不依賴脈沖操作的連續(xù)驅(qū)動模式下，成功將微波信號上轉(zhuǎn)換至光頻，且整個過程中的輸入?yún)⒖几郊釉肼暤椭?n?dd = 0.58，達到了“量子可用”門檻。此外，該轉(zhuǎn)換器在特定參數(shù)下實現(xiàn)了22%的轉(zhuǎn)導效率，帶寬-效率乘積約為1.9 kHz，相較于現(xiàn)有同類系統(tǒng)提升了近兩個數(shù)量級。更重要的是，該系統(tǒng)完全基于硅材料構建，規(guī)避了壓電材料對超導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 電光機械傳感器示意圖

機械諧振器通過同時耦合到微波諧振器和光學諧振器

來介導微波-光學頻率轉(zhuǎn)換。

輸入微波信號通過靜電驅(qū)動轉(zhuǎn)換為機械振蕩。

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

圖5 芯片的光學顯微鏡圖像

綜上所述，三項前沿研究分別從量子計算核心平臺（PsiQuantum）、高靈敏度量子傳感器（東京工業(yè)大學）和量子互聯(lián)接口（加州理工學院）出發(fā)，展示了光子芯片在不同子系統(tǒng)中的集成路徑與關鍵性能突破。這些成果不僅證明了光子平臺在低噪聲、高保真、強互聯(lián)方面的天然優(yōu)勢，也預示著量子系統(tǒng)從“實驗演示”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，特別是對亞微米結構、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 擁有成熟的微納結構加工平臺，具備在高精度硅、金剛石、氮化硅等材料體系上進行納米結構加工制造的能力。對于文中所涉及的波導、環(huán)形諧振器、光學腔體、集成探測器窗口等關鍵結構，我們可以提供定制化工藝支持與快速原型加工服務。

我們歡迎從事量子計算、量子傳感、量子通信相關研究的老師與團隊聯(lián)系我們交流合作需求，XRnanotech 將為您的項目提供可靠的微納結構制造支持。

作者：Albus

審核：凱文

排版：阿朵

參考文獻：

[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.

免責聲明：

此篇文章內(nèi)容（含圖片）部分來源于網(wǎng)絡。文章引用部分版權及觀點歸原作者所有，北京眾星聯(lián)恒科技有限公司發(fā)布及轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多行業(yè)資訊與網(wǎng)絡分享。若您認為本文存在侵權之處，請聯(lián)系我們，我們會在第一時間處理。如有任何疑問，歡迎您隨時與我們聯(lián)系。