鈮酸鋰芯片實現量子調控突破，讓厘米級芯片容納1000多條量子通道

近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的研究人員首次在鈮酸鋰芯片上揭示了鐵電材料在低溫環境下的調控功能，實現了片上獨立調控，打造了直流直驅鐵電疇工程新技術，讓可擴展量子光源的芯片化集成得以成功解決。

實驗結果顯示，量子干涉的可見度高達 0.73（完美值是 1），證明這兩個量子點之間建立了一條可靠的量子鏈接，這也是人們首次在鈮酸鋰芯片上實現如此高質量的量子干涉，為通向容錯線性光學量子計算鋪平了道路。

同時，他們此次在鈮酸鋰上實現的直流驅動鐵電疇工程功能，為芯片上的量子調控以及新興量子材料在量子調控中的應用提供了一條全新路線，也為具有相似特性的材料在量子光學中的應用提供了重要指南，相關論文發表于Nature Materials。

圖 | 相關論文（來源：https://www.nature.com/articles/s41563）

量子網絡也需要“量子燈泡”和“量子電線”

在量子世界，一個微小的粒子比如光子可以同時處于多個位置，這就好比有一天你可以同時出現在公司辦公樓和小區居民樓一樣神奇，這種分身術就叫量子疊加。

兩種粒子之間還能建立一種“心靈感應”，即使相隔很遠也能瞬間影響對方，這就是量子糾纏。一直以來，人們希望使用這些神奇的特性來建造量子網絡。

量子網絡是一種超級安全、超級快速的量子互聯網，信息會被編碼在光子上進行傳遞。正如一盞臺燈需要同時擁有燈泡和電線才能發光一樣，量子網絡也需要“量子燈泡”和“量子電線”。

“量子燈泡”是指能夠穩定發射單個光子的光源，“量子電線”則是能夠傳輸光子但卻不會丟失的光路。人們發現，一種叫做量子點的納米材料堪稱是完美的“量子燈泡”。量子點比頭發絲細一萬倍，每次被激光點亮時，就會吐出一個光子。

而鈮酸鋰這種透明晶體，是制作“量子電線”的絕佳材料。光在里面跑得又遠又快，而且損耗非常低。雖然量子點可以點亮一次吐出一個光子，但是每個光子發出的顏色都不一樣，以至于所有光子無法在量子網絡中完成“合唱”，自然也就無法完成量子通信。此前，人們曾嘗試通過調整溫度和電場來統一顏色，但是要么所有“量子燈泡”一起變色，要么就是調色范圍太小。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1）

讓所有量子點唱出同一個“音高”

本次研究團隊則想出了一個絕妙方案：他們發現薄薄的鈮酸鋰晶體擁有壓電效應，當給它充電的時候，它就會微微地伸縮。于是，他們將量子點旁邊制作了微小的電極，通電之后晶體產生的微小應變會擠壓量子點，從而改變它發出的光子顏色。

更重要的是，每個量子點都可以獨立調色，就好比給合唱團里的每個“歌手”都配了一位專屬“調音師”。通過此，他們實現了高達 7.7meV 的調色范圍，這相當于把“歌手”的音域拓展了 1000 倍，足以讓所有量子點唱出同一個“音高”。那么，如何讓微小的量子點精確地安裝到鈮酸鋰芯片上？

為此，研究團隊發明了一種高精度的轉移印刷技術，使用一塊像橡皮圖章一樣的透明聚二甲基硅氧烷（PDMS，Polydimethylsiloxane）印章，將量子點波導從原基底上蘸起來，然后再精準地印到鈮酸鋰電路上。這項技術的對齊精度高達 100 納米，相當于把一根頭發絲劈成 500 份的寬度，集成了 20 個量子信道，成功率達到 100%。

同時，他們讓兩個獨立的量子點發出的光子在芯片上完成了量子干涉。這就像讓兩個素未謀面的“歌手”，在黑暗中同時唱出了同一個音符，而且能夠完美重合。當兩個光子同頻時，它們會像好朋友一樣手拉手地從同一個出口離開；當兩個光子不同頻時，它們則會各走各的路。

在應用前景上：

首先，本次成果有望打造更強大的量子計算機。未來，一個厘米見方的芯片上就能集成上千個量子信道，功率卻只有幾毫瓦，甚至比手機還要省電。因此，這樣的芯片將能用于建造更強大的量子計算機，進而用于解決藥物設計、天氣預報等復雜問題。

其次，本次成果有望實現絕對安全的通信。任何竊聽行為都會破壞光子的量子狀態，而量子網絡具備天生防竊聽的特點，因此可被用于未來的政府通信和銀行轉賬等。

再次，直流直驅鐵電疇工程這項技術在固態原子體系應用中展現出了獨特優勢，由此能夠構建一個兼具兼容性與開放性的平臺，其不僅能被用于量子點光源調控，還可擴展至各類固態體系和二維材料等新型材料，也可拓展至傳統的鍺硅體系等。

對于那些需要通過應變調控實現在線探測的鍺硅材料，本次平臺都能提供高度開放的系統解決方案，因此不僅在鈮酸鋰薄膜體系中具有應用價值，也可用于更廣泛的鐵電薄膜材料體系。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1）

讓鈮酸鋰老材料開“新花”

如前所述，研究團隊結合鈮酸鋰的直流驅動鐵電疇工程，在芯片上實現了局域電場，進而將其用于調控量子點，從而讓不同量子點之間實現對話和干涉。對于量子點這類確定性的固態原子光源來說，其所存在的固有特性問題是：它們的發射頻率不一致，每個光源頻率都不同。

那么，如何在芯片上解決這個問題？以及如何在分立器件上解決它們之間的互聯問題？面對這些問題，研究團隊一是希望將盡可能多、盡可能高質量的光源集成到芯片上，二是希望在芯片上開發調控技術。

一開始他們使用的是氮化鋁，但是其調控范圍很小，無法應對量子點寬至幾十毫電子伏特的譜線展寬。在宏觀層面，量子通信和量子計算需要大量的光子計算資源。如果使用單一光源來提供多光子資源，所消耗的資源必然遠遠高于使用多個光源。這讓量子通信、量子模擬和量子計算對于多光子資源提出了迫切需求，正是這些挑戰促使他們探索鈮酸鋰這一新的材料體系。

據了解，在光學領域有兩種材料備受關注：一種是半導體量子點，另一種是鈮酸鋰材料。通常人們認為鈮酸鋰材料擁有兩個常用功能：第一是用于高速電光調制，第二是用于聲表面波器件。

而在本次研究之中，他們開發出了鈮酸鋰的新功能——直流驅動鐵電疇工程，這是一個在工程維度上的新開拓。此前，人們未曾想到在 130K 的低溫條件下，鈮酸鋰竟然具備這種特性，并能被用于量子光學和量子調控。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1）

另據悉，本次芯片采用了混合架構，但其設計理念和部分技術繼承于傳統微電子芯片和硅光芯片。之前，人們普遍發現單一材料體系已經無法完全滿足通信和量子等領域的需求。以硅材料為例，雖然它能實現低損耗光路，但其本身不能發光，在調制時產生的損耗較高，將其用作探測器的時候性能也非最優。

事實上，各類器件的最優性能往往是在不同材料體系上實現的?；旌霞軜嬓酒暮诵哪繕?，正是將在不同材料上開發的最優性能器件集成到同一芯片上。這種混合集成思路在傳統微電子領域已有實踐，比如長江存儲等企業就曾通過混合架構將不同制程的芯片集成在一起。

在光子芯片領域，當硅光芯片缺乏激光源時，人們也經常采用混合集成方式引入激光器。而在光量子芯片這一更加前沿的領域，由于技術復雜度更高因此關于混合架構的研究相對較少。因此，本次研究團隊可能是國內最早開展這一研究方向的團隊之一，但也因此格外需要勇闖無人區的勇氣。為了把不同材料的最佳器件集成到同一芯片并保持其性能，他們克服了不少困難。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1）

需要說明的是，光量子計算依然面臨重大挑戰：一方面是如何制備確定性的多光子資源，另一方面是如何構建確定性的量子邏輯門。

目前，片下量子點光源的高質量已經得到證明，接下來研究團隊將探索如何提升片上光源的質量。這就需要進一步地集成微腔，并針對微腔進行有效調控。預計通過集成微腔讓光子性能得到提升至后，將能向應用層面逐步推進，從而開展光量子模擬和光量子計算等前沿研究。

未來，研究團隊將致力于實現三大功能器件的片上集成：基于鉭酸鋰的高速調制器、超導納米線單光子探測器，以及高性能量子光源。目標是在未來2-3 年內將這三種性能最優的功能器件集成到同一芯片上，構建完整的硬件平臺。

參考資料：

相關論文https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1