铌酸锂芯片实现量子调控突破，让厘米级芯片容纳1000多条量子通道

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究人员首次在铌酸锂芯片上揭示了铁电材料在低温环境下的调控功能，实现了片上独立调控，打造了直流直驱铁电畴工程新技术，让可扩展量子光源的芯片化集成得以成功解决。

实验结果显示，量子干涉的可见度高达 0.73（完美值是 1），证明这两个量子点之间建立了一条可靠的量子链接，这也是人们首次在铌酸锂芯片上实现如此高质量的量子干涉，为通向容错线性光学量子计算铺平了道路。

同时，他们此次在铌酸锂上实现的直流驱动铁电畴工程功能，为芯片上的量子调控以及新兴量子材料在量子调控中的应用提供了一条全新路线，也为具有相似特性的材料在量子光学中的应用提供了重要指南，相关论文发表于Nature Materials。

量子网络也需要“量子灯泡”和“量子电线”

在量子世界，一个微小的粒子比如光子可以同时处于多个位置，这就好比有一天你可以同时出现在公司办公楼和小区居民楼一样神奇，这种分身术就叫量子叠加。

两种粒子之间还能建立一种“心灵感应”，即使相隔很远也能瞬间影响对方，这就是量子纠缠。一直以来，人们希望使用这些神奇的特性来建造量子网络。

量子网络是一种超级安全、超级快速的量子互联网，信息会被编码在光子上进行传递。正如一盏台灯需要同时拥有灯泡和电线才能发光一样，量子网络也需要“量子灯泡”和“量子电线”。

“量子灯泡”是指能够稳定发射单个光子的光源，“量子电线”则是能够传输光子但却不会丢失的光路。人们发现，一种叫做量子点的纳米材料堪称是完美的“量子灯泡”。量子点比头发丝细一万倍，每次被激光点亮时，就会吐出一个光子。

而铌酸锂这种透明晶体，是制作“量子电线”的绝佳材料。光在里面跑得又远又快，而且损耗非常低。虽然量子点可以点亮一次吐出一个光子，但是每个光子发出的颜色都不一样，以至于所有光子无法在量子网络中完成“合唱”，自然也就无法完成量子通信。此前，人们曾尝试通过调整温度和电场来统一颜色，但是要么所有“量子灯泡”一起变色，要么就是调色范围太小。

让所有量子点唱出同一个“音高”

本次研究团队则想出了一个绝妙方案：他们发现薄薄的铌酸锂晶体拥有压电效应，当给它充电的时候，它就会微微地伸缩。于是，他们将量子点旁边制作了微小的电极，通电之后晶体产生的微小应变会挤压量子点，从而改变它发出的光子颜色。

更重要的是，每个量子点都可以独立调色，就好比给合唱团里的每个“歌手”都配了一位专属“调音师”。通过此，他们实现了高达 7.7meV 的调色范围，这相当于把“歌手”的音域拓展了 1000 倍，足以让所有量子点唱出同一个“音高”。那么，如何让微小的量子点精确地安装到铌酸锂芯片上？

为此，研究团队发明了一种高精度的转移印刷技术，使用一块像橡皮图章一样的透明聚二甲基硅氧烷（PDMS，Polydimethylsiloxane）印章，将量子点波导从原基底上蘸起来，然后再精准地印到铌酸锂电路上。这项技术的对齐精度高达 100 纳米，相当于把一根头发丝劈成 500 份的宽度，集成了 20 个量子信道，成功率达到 100%。

同时，他们让两个独立的量子点发出的光子在芯片上完成了量子干涉。这就像让两个素未谋面的“歌手”，在黑暗中同时唱出了同一个音符，而且能够完美重合。当两个光子同频时，它们会像好朋友一样手拉手地从同一个出口离开；当两个光子不同频时，它们则会各走各的路。

在应用前景上：

首先，本次成果有望打造更强大的量子计算机。未来，一个厘米见方的芯片上就能集成上千个量子信道，功率却只有几毫瓦，甚至比手机还要省电。因此，这样的芯片将能用于建造更强大的量子计算机，进而用于解决药物设计、天气预报等复杂问题。

其次，本次成果有望实现绝对安全的通信。任何窃听行为都会破坏光子的量子状态，而量子网络具备天生防窃听的特点，因此可被用于未来的政府通信和银行转账等。

再次，直流直驱铁电畴工程这项技术在固态原子体系应用中展现出了独特优势，由此能够构建一个兼具兼容性与开放性的平台，其不仅能被用于量子点光源调控，还可扩展至各类固态体系和二维材料等新型材料，也可拓展至传统的锗硅体系等。

对于那些需要通过应变调控实现在线探测的锗硅材料，本次平台都能提供高度开放的系统解决方案，因此不仅在铌酸锂薄膜体系中具有应用价值，也可用于更广泛的铁电薄膜材料体系。

让铌酸锂老材料开“新花”

如前所述，研究团队结合铌酸锂的直流驱动铁电畴工程，在芯片上实现了局域电场，进而将其用于调控量子点，从而让不同量子点之间实现对话和干涉。对于量子点这类确定性的固态原子光源来说，其所存在的固有特性问题是：它们的发射频率不一致，每个光源频率都不同。

那么，如何在芯片上解决这个问题？以及如何在分立器件上解决它们之间的互联问题？面对这些问题，研究团队一是希望将尽可能多、尽可能高质量的光源集成到芯片上，二是希望在芯片上开发调控技术。

一开始他们使用的是氮化铝，但是其调控范围很小，无法应对量子点宽至几十毫电子伏特的谱线展宽。在宏观层面，量子通信和量子计算需要大量的光子计算资源。如果使用单一光源来提供多光子资源，所消耗的资源必然远远高于使用多个光源。这让量子通信、量子模拟和量子计算对于多光子资源提出了迫切需求，正是这些挑战促使他们探索铌酸锂这一新的材料体系。

据了解，在光学领域有两种材料备受关注：一种是半导体量子点，另一种是铌酸锂材料。通常人们认为铌酸锂材料拥有两个常用功能：第一是用于高速电光调制，第二是用于声表面波器件。

而在本次研究之中，他们开发出了铌酸锂的新功能——直流驱动铁电畴工程，这是一个在工程维度上的新开拓。此前，人们未曾想到在 130K 的低温条件下，铌酸锂竟然具备这种特性，并能被用于量子光学和量子调控。

另据悉，本次芯片采用了混合架构，但其设计理念和部分技术继承于传统微电子芯片和硅光芯片。之前，人们普遍发现单一材料体系已经无法完全满足通信和量子等领域的需求。以硅材料为例，虽然它能实现低损耗光路，但其本身不能发光，在调制时产生的损耗较高，将其用作探测器的时候性能也非最优。

事实上，各类器件的最优性能往往是在不同材料体系上实现的。混合架构芯片的核心目标，正是将在不同材料上开发的最优性能器件集成到同一芯片上。这种混合集成思路在传统微电子领域已有实践，比如长江存储等企业就曾通过混合架构将不同制程的芯片集成在一起。

在光子芯片领域，当硅光芯片缺乏激光源时，人们也经常采用混合集成方式引入激光器。而在光量子芯片这一更加前沿的领域，由于技术复杂度更高因此关于混合架构的研究相对较少。因此，本次研究团队可能是国内最早开展这一研究方向的团队之一，但也因此格外需要勇闯无人区的勇气。为了把不同材料的最佳器件集成到同一芯片并保持其性能，他们克服了不少困难。

需要说明的是，光量子计算依然面临重大挑战：一方面是如何制备确定性的多光子资源，另一方面是如何构建确定性的量子逻辑门。

目前，片下量子点光源的高质量已经得到证明，接下来研究团队将探索如何提升片上光源的质量。这就需要进一步地集成微腔，并针对微腔进行有效调控。预计通过集成微腔让光子性能得到提升至后，将能向应用层面逐步推进，从而开展光量子模拟和光量子计算等前沿研究。

未来，研究团队将致力于实现三大功能器件的片上集成：基于钽酸锂的高速调制器、超导纳米线单光子探测器，以及高性能量子光源。目标是在未来2-3 年内将这三种性能最优的功能器件集成到同一芯片上，构建完整的硬件平台。

参考资料：

相关论文https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1