世界上第一个芯片上的电子-光子-量子系统问世

为了推动量子技术的规模化发展，来自波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的科学家，在一款商业化的45纳米互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片平台上，成功制造出首个集成电子、光子与量子系统的芯片。

量子光源电子-光子电路结构的光学显微图像，图中可见12个器件中的4个，均位于已制造的硅芯片上。图片来源：波士顿大学（BU）

由波士顿大学（BU）、加州大学伯克利分校（UC Berkeley）和西北大学的科学家团队创建的全球首个电子-光子-量子系统芯片，首次在标准的45纳米半导体制造工艺中，将量子光源与稳定电子元件集成在一起，能够产生一系列相关光子对。

能够在硅基材料中实现这一点意义重大，因为“这表明我们可以在商业半导体代工厂中构建可重复、可控的量子系统，”波士顿大学电气与计算机工程副教授、此次合作项目的负责人Miloš Popović表示。

该团队所开发的器件能够生成光子对，可用于构建分发量子信息的原型量子网络。其中一个应用是实现离散变量量子密钥分发（QKD），以实现安全通信。值得一提的是，该系统使用的是1550纳米波长，与现有的长距离光纤基础设施兼容——这意味着量子信号和经典信号有可能共存于同一根光纤中。

西北大学电气与计算机工程教授、量子光学领域的先驱Prem Kumar指出，这款电子-光子-量子芯片背后的跨学科合作，正是推动“将量子系统从实验室走向可扩展平台”所必需的。他的研究团队主导了该芯片的量子特性测试工作。

这块封装好的电路板在实验过程中被放置在探针台的显微镜下，其上安装有该芯片。图片来源：波士顿大学（BU）

量子技术的“圣杯”：可扩展性

当前量子技术面临的一大挑战是“可扩展性，而非可行性，”Daniel Kramnik表示。他在开展该项目时是加州大学伯克利分校的博士生，负责该芯片的设计、封装与集成工作，隶属Vladimir Stojanović教授团队，目前已加入GoogleX，并创办了一家硅光子初创企业。“我们看到许多量子技术的概念验证案例，但真正困难的是找到让它们规模化的方法，以便构建足够大的量子信息系统，从而执行有用的任务。”

Kramnik将这种差异类比为1947年首个晶体管的诞生与随后几十年集成电路（IC）的发展之间的区别——后者推动了计算机的普及，并最终催生了互联网、iPhone及现代生活中几乎一切科技产品。“构建可扩展量子硬件组件的一个有前景的路径是硅光子学，它利用兼容CMOS的制造工艺来构建以光而非物质为基础的量子系统，”他说道。

为何选择CMOS制造？

因为它是目前构建大规模系统最可扩展的方式，能够制造出包含数十亿个晶体管的芯片。“如果我们能将其用于量子计算机，就能以足够大的规模制造出真正有用的量子系统，”Kramnik解释说。

然而，硅光子器件对制造过程和温度变化极为敏感，这会导致器件产生非线性效应，从而偏离共振点，降低生成光子对的效率。“目前这类调控往往依赖于体积庞大的芯片外组件和实验室设备，”Kramnik指出。“要真正实现硅光子学在量子信息处理中的可扩展性，就必须找到一种可扩展的方式，将量子、光子和电子功能集成在同一个可通过CMOS制造的芯片上。”

解决方案是什么？

正如Kramnik所说，他们团队的策略是：将电子-光子集成的专业知识与量子光学技术相结合，“不仅首次构建了这类系统，而且是在目前广泛应用的商业CMOS工艺厂内完成的——即采用45纳米分辨率，在射频硅绝缘衬底（45RFSOI）上进行高产量制造的GlobalFoundries。”此次合作还得益于Kumar教授团队的支持，他们是首个在硅波导中实现并发表量子相关光子对生成的团队。

值得注意的是，目前很多相关研究虽声称使用“CMOS兼容”的量子光子方法，但能真正做到“在CMOS之中”而不仅仅是“与CMOS工艺兼容”，意义重大。

稳定输出的量子光流

该研究团队在硅芯片上构建的“量子光工厂”，每个尺寸不足1 毫米 × 1 毫米，依赖**微环谐振腔（microring resonators）**生成量子光态。这些微环谐振器需要与输入的激光光源精确调谐同步，以驱动每个对温度极为敏感的量子光源。

关键挑战在于：保持器件与激光同步运行，因为它们不仅对温度变化敏感，还容易受到制造过程中的偏差影响。

每块芯片上集成了12个基于微环谐振器的量子光源，这些光源需并行工作，且在潜在的温度漂移和邻近器件干扰影响下，依然要保持与激光输入信号的同步性。

为实现稳定控制，科学家们在微环结构内置了光电二极管（photodiodes），可精确监测其与输入激光波长的对准情况，同时又不会破坏光子对生成的效率。

此外，芯片上还集成了微型加热器和控制逻辑单元，能根据漂移自动调节微环的共振状态。该机制对未来量子系统的规模化扩展至关重要。

“在量子测量中，我们必须精确考量系统的微小损耗，才能验证理论模型的准确性，”来自西北大学、现就职于 PsiQuantum 的 Anirudh Ramesh 表示，他曾领导该项目中的量子测量工作。“当测量结果逐步接近理论模型时，那种成就感非常强烈。”

Ramesh 补充说：“观察电子 DAC/ADC 编码的时间变化、光子传输参数以及量子光子对（真符合/偶然符合比）等指标如何随反馈控制器自动调整系统并稳定运行，是一次非常精彩的体验。”他说，“协调这些测量过程极具挑战，但这也让我们得以从一个全新的角度理解如何校准一个量子光子系统。”

走向代工厂：从设计到制造

在电子-光子-量子芯片的设计过程中，研究团队使用代工厂提供的晶体管 CAD 图层绘制光子器件，之后由代工厂在同一芯片上同时制造电子和光子电路。

“我们团队开发了一套定制软件，可以将光子设计师的意图翻译为一系列代工厂支持的 CAD 图层，并自动调整以满足CMOS制造所需的几千条几何设计规则，”Kramnik 解释道。

但这是否意味着光子芯片出厂即可使用？并非如此。为了激活光子器件，研究人员需要将整个芯片焊接至PCB板后，再放入氙氟化物（XeF₂）蚀刻设备中，从芯片背面去除硅基衬底。

随后，通过将芯片倒置，可以从正面耦合光信号至波导和光子器件中。这一流程在当前 GlobalFoundries 推出的专门用于大规模硅光子制造的新平台——45SPCLO平台中已不再需要。

研究团队还专门对光子器件和电子电路进行了优化，以产生高质量的光子对，而不是通常用于高速数据通信的收发器。

“这需要我们详细建模器件内部的非线性光学效应并进行优化，”波士顿大学博士生 Imbert Wang 表示，他负责该项目的光子器件设计与集成工作。

这些电路还能执行反馈控制，用于校准和稳定光子对的生成过程，从而实现受控的单光子流输出——这是构建多种光子量子信息系统所需的核心模块。

此外，他们还在同一芯片上演示了一种高消光比的光学滤波器，用于从泵浦激光中分离出目标单光子，取代了传统量子光学实验中依赖的庞大离芯组件。Wang 指出，这也是硅光子平台集成化的一大突破。。

原型量子网络与可插拔式光纤量子通信模块：未来已来

“该研究团队所开发的量子芯片能稳定输出光子对，已准备好用于构建原型量子网络，实现量子信息的分发传输。

“我们使用的是1550纳米波长，这与现有的长距离光纤基础设施兼容，”Kramnik 介绍说，“而西北大学 Kumar 教授团队近期通过一次量子隐形传态实验，展示了量子信号和经典信号可共存于同一根光纤中的可能性。”

他指出，目前这类网络主要用于科研用途，为将来实用量子计算机落地后的通信基础设施打下基础。”

这块封装好的电路板上安装了该研究团队用于实验的芯片。图片来源：波士顿大学（BU）

更近一步的应用：可插拔式光纤量子通信模块

更实际、近一步的应用是：基于该芯片构建用于量子安全网络的可插拔光纤通信模块。

Kramnik 设想：“可以想象，一些政府机构或企业希望拥有笔记本电脑上的100%安全通信，不再受Wi-Fi或以太网监听风险的影响——而是通过连接至硅光子芯片的光纤，实现与终端设备的直接量子通信，即便不拥有光纤本身也能做到。”

当然，为实现这种模块，还需进一步集成Ⅲ-Ⅴ族泵浦激光器和室温单光子探测器于同一芯片上——好消息是，这些器件已有其它研究团队展示出与CMOS兼容的集成方案。

从长远来看，该团队的平台可用于构建光子量子计算机所需的大量单光子源，例如PsiQuantum和 Xanadu 所开创的单光子源。

更长远的目标：为量子计算机提供单光子源

从更宏观的角度看，该平台未来可以扩展为大规模单光子源阵列，为如 PsiQuantum、Xanadu 等公司正推进的光子量子计算机提供关键支持。

“有人说量子技术是一个‘寻找问题的解决方案’，但有趣的是，这个说法最早源自1964年关于激光发明的评论，”Wang 说。“快进60年，激光已经无处不在。激光技术能取得今天的成果，关键在于——生产的可扩展性。而现在，我们终于可以规模化地制造量子光源了，我非常期待它能为量子科技带来什么新可能。”

下一步：提升功能集成性

该团队已在积极拓展芯片的功能性。他们近期在光纤通信会议（OFC）上发表论文，展示如何利用光子对源监测芝加哥地区地下光纤的时序漂移。

Ramesh 介绍说：“令人惊讶的是，实验发现地下长距离光纤的时序漂移竟然小于实验室中一卷光纤的漂移。原因可能是地下温度稳定，而且温度或应力的微小波动在整段光纤上传播后被均匀化；而在实验室里，整个线圈同时受到同样的变化影响。”

这一结果表明：他们的量子光子源已在量子网络的工程和科学研究中发挥作用。目前，芝加哥已成为量子互联网研究的重要枢纽，该团队也在尝试通过多个CMOS芯片间的量子干涉实验，验证其是否能用于构建具纠缠关系的单光子对，这是量子通信和计算所必需的基本单元。

Kramnik 透露：“我们还在开发下一代CMOS芯片，具备更高的光子对生成效率，并集成更多模块功能，进一步推动单芯片量子系统的发展。”。

工业势能：硅光子技术迈向量产

“具备超大规模集成（VLSI）能力的硅光子技术，可在芯片上集成成百上千个光子器件与电子模块，已成为业界推动量产的重要方向，尤其受到AI硬件光互连需求的推动，”Popović 表示。他在2015年与 Stojanović 等人共同创办了光互连公司 Ayar Labs。

“而相比互连系统，量子系统对损耗和干扰更为敏感，因此抓住当前产业转型的动能，将有望加速推动更大规模量子光学系统的落地。”

本项研究获得以下机构支持：

• 美国国家科学基金会（NSF），包括其“半导体的未来”（FuSe）项目
• 帕卡德科学与工程奖学金（Packard Fellowship）
• Catalyst Foundation
• Ayar Labs
• GlobalFoundries

进一步阅读

D. Kramnik et al., Nat. Electron., 8, 620–630 (2025); https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5.

参考

1. J. M. Thomas et al., Optica, 11, 1700-1707 (2024);https://doi.org/10.1364/optica.5403622。

2. C. S. Porter, “U.S. Army role in laser development, future potential discussed,” Army R&D News Magazine, 10 (Dec. 1964).。