玻璃芯片击败硅基！飞秒激光直写刷新量子通信安全速率世界纪录

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量子计算机的算力正在指数级膨胀。传统RSA加密体系面临被暴力破解的终极威胁。物理学家们开出的解药是量子通信，它依托量子力学基本原理提供无条件安全。这项技术长期卡在工程化瓶颈：现有的硅基集成芯片偏振敏感、光学损耗高，稍微震动就性能暴跌。 现在，一块看似普通的硼硅酸盐玻璃打破了僵局。意大利帕多瓦大学联合米兰理工大学团队利用飞秒激光直写技术，在玻璃内部雕刻出量子相干接收器，实现了42.7 Gbit/s的源无关量子随机数生成速率，创下该安全模型下的世界纪录。这项成果发表于《Advanced Photonics》。

连续变量量子密钥分发（CV-QKD）和量子随机数生成（QRNG）是量子通信的两大支柱。它们需要相干接收器将微弱的量子信号与强参考光干涉，精确测量光波振幅和相位。

硅基光子学长期主导集成量子光学。硅材料工艺成熟，晶圆厂可批量生产。但硅有一个致命弱点：强烈的双折射效应。这意味着光子的偏振态一旦受光纤扰动或温度变化影响，接收器就会失效。 此外，硅波导表面粗糙，光学损耗通常在3-5 dB，严重拖累信噪比。

玻璃则是各向同性材料，天然偏振不敏感。它化学性质惰性，热稳定性极佳。最关键的是，飞秒激光可在玻璃内部三维直写波导，避开了硅基平面工艺的限制。此次意大利团队实现的插入损耗仅约1 dB，共模抑制比超过73 dB，8小时运行稳定性远超硅基竞品。 这些硬指标解释了为何玻璃能后来居上。

制造这块芯片无需洁净室，也无需光刻胶。研究人员使用飞秒激光直写技术，将激光聚焦在硼硅酸盐玻璃内部特定深度。极高能量密度瞬间改变局部玻璃折射率，形成直径约微米级的光波导。

这种"光之笔"拥有真正的三维自由度。团队在其中刻下了可调谐异相干接收器所需的全套元件：固定与可调分束器、热光相移器、三维波导交叉结构、偏振无关定向耦合器。激光头在玻璃体内穿梭，就像在水晶中刺绣。传统硅基芯片需要多层光刻和刻蚀，而玻璃直写一次成型，原型迭代速度极快。

该接收器能同时测量两个共轭正交分量，这是CV-QKD的核心要求。玻璃平台还天然匹配标准电信光纤模场，耦合效率极高，这为接入现有光纤网络扫清了障碍。

同一块玻璃芯片演示了两项关键任务，数据极具说服力。

第一项是源无关量子随机数生成（SDI-QRNG）。即使输入光态被敌方完全控制，系统仍能提取安全随机数。该芯片以42.7 Gbit/s的速率生成安全随机比特。对比之下，此前同安全等级下的硅基集成方案速率通常在Gbit/s量级徘徊。 这一跃升意味着量子随机数可真正支撑高速加密需求。

第二项是QPSK调制CV-QKD协议。团队在模拟的9.3公里光纤链路上实现了3.2 Mbit/s的安全密钥率。这一指标与当前最先进的硅基或铌酸锂方案相比毫不逊色，却拥有后者难以企及的环境鲁棒性。玻璃的热膨胀系数与光纤匹配，在野外温差环境下表现更稳。

中国科学家在硅基光量子芯片领域处于第一梯队。中国科学技术大学郭光灿团队、潘建伟团队已实现高维硅基量子纠缠光源和量子计算原型验证。2023年，浙江大学戴道锌团队也在硅基片上量子通信器件取得突破。这些积累奠定了坚实基础。

但在玻璃基集成量子光学领域，中国与欧美存在明显时差。意大利团队此次使用的飞秒激光直写玻璃光子芯片技术，国内浙江大学刘旭团队、之江实验室虽有布局，主要集中在经典光通信和光神经网络。专门针对量子通信相干接收器的玻璃芯片研究，公开报道中尚未见此性能级别的突破。

飞秒激光直写并非新技术，但将其推向量子通信工程化极限，需要光学设计、低温封装、高速电控的系统性整合。此次成果提示我们：量子通信的实用化不应押注单一材料。硅基适合大规模逻辑运算，玻璃基更适合前端信号接收和传输。中国需在保持硅基优势的同时，加快玻璃、铌酸锂等多材料体系的量子器件研发，避免在工程化落地阶段被材料多样性卡脖子。

从实验室的精密光学平台到可部署的量子网络，中间隔着材料科学的鸿沟。这块玻璃芯片证明，有时候最传统的材料，配上最精准的激光，反而能走出最实用的路径。

Andrea Peri et al, "High-performance heterodyne receiver for quantum information processing in a laser-written integrated photonic platform," Advanced Photonics (2026). DOI: 10.1117/1.ap.8.1.016009