量子光学集成芯片问世，助力可扩展量子计算机迈进新阶段

德国在实现可扩展量子计算机方面又迈出了重要的一步，推出了名为SmaraQ的合作研究计划，该计划将量子光学直接集成到芯片上。这个项目是由QUDORA Technologies GmbH、AMO GmbH和Fraunhofer IAF共同推动的，旨在用紧凑的芯片系统取代笨重的光学组件，这些系统有望让离子阱量子计算机变得更加高效和可扩展。

重新定义离子阱系统的光学控制

SmaraQ的核心是一项光子集成方面的突破。传统的离子阱量子计算机依赖复杂的镜子和透镜排列来引导激光束控制量子比特，随着系统规模的扩大，这种设置变得越来越复杂。每个离子作为一个量子比特，必须通过激光光束精确控制以进行初始化和冷却等操作。在数百或数千个量子比特中保持这种精度，一直是扩展的一个基本挑战。

SmaraQ通过开发氮化铝（AlN）和氧化铝（Al₂O₃）制成的紫外（UV）波导和光子组件来解决这个问题。这些材料被用于制造能够以纳米级精度直接将光引导到量子比特上的芯片波导。这种方法消除了对大型自由空间光学的需求，极大地缩小了系统体积，并提高了可靠性。

“片上集成是离子阱量子计算发展的重要方向，”QUDORA光子学负责人Maik Scheller博士在一份新闻稿中表示。“我们正在设计纳米尺度的波导结构，厚度是人类头发的万分之一那么薄，能够精确地将光传递到离子量子比特所需的确切位置。”

这种集成不仅提高了光学稳定性，还促进了利用成熟的半导体制造方法进行大规模量子处理器的生产，这是量子计算技术广泛应用的关键一步。

基于互补专长的合作

SmaraQ汇集了三个重要的合作伙伴，他们各自带来了独特的技术专长。QUDORA Technologies作为项目的协调者，负责将光子系统整合进其捕获离子量子计算架构，并推动项目结束后的商业化进程。该公司的专有NFQC（下一代场量子计算）技术因其高量子比特相干性和精确控制而闻名，为捕获离子系统树立了标杆。

Fraunhofer IAF在材料科学领域的专业知识体现在他们开发的优质外延薄膜AlN晶圆上，这些晶圆为光子组件提供了基础。同时，AMO GmbH运用其先进的纳米制造技术，利用尖端光刻在芯片上制作和设计这些组件。这些努力共同构建了一个以德国为基础的关键量子计算材料和组件供应链，这为保持技术独立提供了战略优势。

该项目的名称 SmaraQ 灵感来源于 Smaragdkolibri，也被称为蓝尾翡翠蜂鸟，以其精准和能够感知紫外线而闻名。这个比喻体现了该项目在微观尺度上对微型化和控制的关注，这在 量子技术 的领域是至关重要的特性。

朝着可持续和自主的量子技术迈进

SmaraQ 项目从 2025 年到 2028 年进行，由德国联邦研究、技术和空间部 (BMFTR) 资助，是支持量子研究中使能技术的项目之一。这个倡议是加强欧洲在量子计算领域领导地位、确保大陆内关键供应链的更广泛国家努力的一部分。

专注于可扩展的集成光学技术，SmaraQ 解决了离子阱量子计算中一个重要的瓶颈。随着量子比特数量的增加，保持光学接入的精确性。如果成功，这个项目有可能为工业规模的量子处理器制造提供一个蓝图，缩小实验室原型和商业可行系统之间的差距。