从光子芯片到量子系统：集成光量子技术的发展与应用

光子可在路径、时间和频率等自由度上编码，可以直接接入光纤网络，是量子信息处理的重要载体。集成光子学将原本分散的光源、干涉器件、调制器和探测器集成到芯片上，推动系统由依赖精密对准的实验装置走向更稳定、更紧凑且更便于复制的硬件平台。

集成光量子技术

集成光量子技术以光子为信息载体，将光源、干涉与调控单元、传输接口和探测读出等功能集成于光子芯片或可互连模块中。其重点并非简单缩小光学元件，而是在有限尺寸内实现低损耗传输、稳定相位控制和可重复制造，为量子计算、量子通信和量子精密测量提供可扩展的硬件基础。

这项技术源于复杂量子实验对稳定性、规模和可复制性的要求。传统自由空间方案需要大量分立元件并反复对准，光路扩展后易受相位漂移和耦合损耗限制。

硅光子、氮化硅和铌酸锂等平台将关键光学功能集成到芯片中，推动研究由单功能演示转向光源、线路、探测、控制和封装的协同优化，也使端到端损耗、保真度、良率和互连能力成为更重要的评价指标。

技术发展

集成光量子技术正沿着“高质量光子产生—低损耗量子态操控—高效率探测读出—异质集成与系统封装”的链条并行演进。

前端决定量子资源质量，后端决定其能否以低损耗、可制造的方式形成系统；任何一环的效率或稳定性不足，都会在多光子干涉、前馈控制和远距离互连中被放大。

（一）片上量子光源

量子光源负责产生单光子、纠缠光子对或压缩态，是集成光量子系统的输入端。对芯片而言，关键在于使光子以低损耗、可控的方式接入后续的干涉、编码和测量电路。

为满足多路、稳定光子输入的需求，Quandela推出Prometheus独立式量子点单光子源，将低温光源、脉冲激光、主动解复用和控制模块封装于一体，可为可编程干涉仪和光子集成电路提供多路单光子输入。

除产品化探索外，科研端仍在提升输入光子的质量。片上光源的重点已由“能否发出单光子”转向亮度、纯度和不可区分性的协同提升。

量子点与微腔或波导耦合可增强辐射并提高收集效率；多个发射周期复用至同一电路，有望为多光子纠缠和资源态制备提供更确定的输入。光子的不可区分性直接影响干涉质量，因此源端改进会进一步提升后续门操作和纠错资源制备的成功率。

沿着光纤兼容方向，2026年法国特鲁瓦工程技术大学等研究团队将胶体半导体纳米晶单光子源耦合至离子交换玻璃波导，在室温下保持单光子特性；二氧化钛辅助波导提高了耦合效率，为光源与光纤兼容平台的耦合提供了新路径。

图1：Quandela Prometheus 独立式量子点单光子源

（二）量子态制备、操控与编码

量子态制备、操控与编码利用耦合器、干涉仪和调制器，将光子制备为可计算、传输或测量的量子态，并调控其路径、相位、时间或频率。多级干涉和高速相位控制对稳定性极为敏感，芯片可缩短光路并提供可重复的电光控制。

在应用部署层面，这类功能已开始以整机形式交付。2026年7月14日，QuiX Quantum向德国航空航天中心量子计算计划（DLR QCI）交付Carina核心硬件平台，其架构包含光子产生、多路复用、集成光子处理、高速电光开关和实时前馈控制。

在科研端，通用线性光路正被推向更复杂的容错编码。2025年，超低损耗氮化硅集成芯片结合光子数分辨探测，演示了GKP量子比特的产生与表征，说明芯片不仅能重排光路，也可参与非高斯量子态的合成。

另外耦合器和相位调制器可构成可编程酉变换，配合快速前馈，便能在同一硬件上切换计算、采样和纠缠分发任务，减少反复搭建自由空间光路的复杂度。

在更复杂量子态的制备上，2026年，北京大学、山西大学等团队报道了单片集成连续变量量子光路，在同一芯片上完成多模簇态的产生、操控与测量；芯片共集成压缩光源、纠缠量子门和平衡零差探测单元，展示了全功能量子光路单片集成的发展潜力。

图2：QuiX Quantum Carina 光子量子计算核心硬件平台

（三）单光子探测与读出

单光子探测与读出负责将单个光子的到达事件转换为带有时间信息的电信号，决定量子态能否被可靠测量。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有低暗计数、低时间抖动和高效率等特点。若探测器与波导分离，光纤耦合和封装会增加损耗；波导集成探测可减少这部分损耗，但仍需持续工程化。

在产品层面，Single Quantum的Eos R12已作为机架式SNSPD系统面向量子通信和量子密码应用销售，包含探测器、低温系统和读出电子学。

科研端则持续压低损耗、提高片上效率。2025年，南京大学及紫山实验室等团队报道在同一硅波导上级联两段纳米线，在1550 nm实现99.73%的片上探测效率。

对多光子实验而言，每增加一个需要同时读出的光子，总成功概率都会以乘积形式下降。因此，低暗计数、低抖动和近乎单位效率的片上读出，是扩展光子量子计算和量子密钥分发距离的关键。

2026年，上海超导集成电路技术重点实验室与中国科学院相关团队在《npj Quantum Information》上报道了低温集成芯片实现五用户全连接纠缠分发：接收芯片将泵浦抑制滤波器与超导纳米线单光子探测器协同集成，泵浦抑制超过56 dB，显示探测系统正向低温滤波、互连和多用户读出的协同方向发展。

图3：Single Quantum Eos R12 超导纳米线单光子探测系统

（四）异质集成与系统封装

异质集成与系统封装解决的是不同器件如何协同工作：发射器、低损耗波导、高速调制器和超导探测器通常需要不同材料和工艺，必须通过键合、转移印刷、光子线键合或芯片间耦合连接。只有将光纤接口、低温环境和控制电子学一并封装，芯片性能才能真正转化为系统性能。

2025年，PsiQuantum团队与格芯（GlobalFoundries）在300 mm商用硅光子工艺上制备了一组单片集成模块，覆盖光子产生、操控、探测和芯片间互连。完成了带预示信号的光子量子比特基准测试与双量子比特融合，其单量子比特SPAM保真度99.98%，独立源HOM可见度为99.50%，双量子比特融合保真度为99.22%，芯片间互连保真度为99.72%；相关指标均未计入损耗。

在量子通信领域，2026年北京大学等团队在《Nature》上报道了一种集成光子双场量子密钥分发网络，将20枚InP客户端芯片与集成氮化硅微梳结合，经10个波分信道实现每条370 km的量子密钥分发，组网能力（用户对数×单链路距离）达3700 km，表明晶圆级一致性和多用户资源共享已可进入系统验证阶段。

图4：面向可制造性的光子量子计算平台及其封装

结语

集成光量子技术的产业化并非所有模块同步成熟。目前，部分单光子源、可编程光子处理和低温探测设备已以产品或系统模块形式出现；系统封装也正由实验室研发迈向工业化能力建设。

科研进展仍围绕保真度、效率与可扩展性推进。下一阶段的关键，是降低端到端损耗、提高封装良率，并让芯片、控制电子学和软件运维能够协同复制。

[1]https://www.quandela.com/products-and-services/prometheus/

[2]https://www.nature.com/articles/s41534-026-01209-y

[3]https://www.nature.com/articles/s41566-026-01868-5

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09044-5

[5]https://www.quixquantum.com/news/quix-quantum-announces-carina

[6]https://www.nature.com/articles/s41377-025-02031-5

[7]https://www.nature.com/articles/s41534-026-01262-7

[8]https://www.singlequantum.com/hello-world-5/

[9]https://www.nature.com/articles/s41586-026-10152-z

[10]https://www.nature.com/articles/s41586-025-08820-7