量子技术通过光子集成电路从理论走向现实：未来潜力与全球发展

集成电路（IC，Integrated Circuit）是当今信息社会的基础，它的大规模高速发展为各行各业带来了日新月异的变化。

光子集成电路（PIC，Photonics Integrated Circuit）你是否有听说过呢？

光子集成电路将传统集成电路中起到关键作用的晶体管等电子器件替换成各种不同的微型光电器件，例如微型激光器、微型电光调制器等等，通过光学原理进行信号调控。PIC 在信息传输和处理领域有着不可比拟的优势，因此被广泛应用于光纤通信、光谱传感器及量子信息处理等应用中。

量子力学你可能大学时代有听说过，现在它已经不再仅仅是薛定谔的猫那么神秘，而是随着技术的发展在悄悄地走进我们的生活。第一代量子技术改变了传统物理世界，带动了半导体、晶体管和激光器的发展，从而影响计算机互联网世界。而第二代量子纠缠和叠加技术的发展也带了计算、仿真、传感和测量技术领域上的革命。

现在量子技术可以直接在单个光子水平上利用其量子特性与 PIC 相结合实现很多超过传统电子器件性能的新技术，例如最近我国实现超快量子计算机就是一种基于对光子进行量子调控而实现的。因此量子光子学的中心目标是利用量子技术通过对光子进行调控为量子通信、量子计算、联系模拟和量子传感传感技术带来新的发展机会。那么基于集成光子的量子技术（IPQT）是基于 PIC 技术而发展的，其中最为典型的代表就是量子光子集成电路（qPICs）技术。

潘建伟团队集合世界上很多科学家一起将 IPQT 这一领域的发展研究动态做了总结，在 2021 年 12 月发表在国际权威杂志 Nature Reviews Physics[1]，论文题为《量子技术的集成光子学潜力与全球展望》（The potential and global outlook of integrated photonics for quantumtechnologies）。潘建伟等众多科学家希望通过介绍和讨论该技术领域的应用及其当前障碍来刺激这一领域的进一步的发展。

从 PIC 向 qPIC 的跨越

与半导体电子器件类似，PIC 的实现是高度依赖于芯片制造技术和工艺水平。一般的 PIC 器件是在基板上集成许多光学元件，例如数据中心高速可插拔收发器 ，特定集成传感或监控器件和微机电系统（MEMS）等。传统 PIC 器件是实践量子技术的基础，凭借其可扩展和可快速重构架构、系统占用空间小、高稳定性光学元件、单光子探测器高效芯片接口等等优势，可以成为适用于量子技术的更可扩展、更强大、更紧凑的量子光子集成电路 qPIC。

例如现有的研究已经证明 qPIC 将对空地通讯和光纤量子通信产生重要影响，因为其在物理路径、重量、能源消耗、稳定性和可制造性等方面都具有很明显的优势；qPIC 还有望解决量子计算和量子模拟中的关键量子控制挑战，包括量子计算中的量子比特寻址和读出等；qPIC 可利用量子纠缠或状态压缩等量子效应，通过使用紧凑的量子光源、片上检测和信号路由等进行高精度的量子传感和量子测量；qPIC 还可为基础科学新物理现象提供研究平台，如拓扑物理和非厄米特物理的研究等等。

图 | 一块适用量子技术的光子集成芯片 qPIC 的架构示意图（来源：Nature Reviews Physics）

但同时 qPIC 的发展也面临着诸多挑战，首先需要思考如何将 PIC 中各组件的设计与制造要与量子应用进行匹配，也就是要在传统光子集成芯片上实现高度可控和可调谐的高 Q 低模量子腔、量子存储器、量子发射器、低噪声单光子探测器、高效量子变频器以及快速前馈操作等。下图就给出了一个基本的 qPIC 含有的器件模块需要包含的有量子发射器、非线性过程单元、电路元件、量子存储器、单光子探测器和传统电路控制单元。

图 | qPIC 中各组件的类型以及架构平台对比表（来源：Nature Reviews Physics）

通过上图可以清楚地了解 qPIC 中各组件的发展水平，就目前的研究表明如果想要实现相同的功能已经有不同器件类型和架构平台可供选择，但是不同的技术路线有着各自的优缺点，这些器件往往是为了适应某些特殊应用场景下而设计的。

而下图进一步地中向我们介绍 qPIC 在不同量子技术应用环境下时的组件构成，例如在储存中继器、单向量子计算机、量子密钥分布、玻色子采样和量子成像等应用环境使用的组件是不一样的。

图 | 不同量子技术案列中使用 qPIC 中各组件的统计表（来源：Nature Reviews Physics）

虽然这些 qPIC 器件存在各种各样的问题，但都面临着一个共同问题就是如何将各组件的光子损耗减少到能够进行量子应用水平，尤其当多个组件耦合在一起进行工作时，这种情况下的光子损耗会让所设计的量子技术无法实现。因此目前来说 qPIC 面临的挑战主要是需要平衡不同的需求并提高性能，通过研究提出新的解决方案来克服这些障碍。

IPQT 技术的全球研究现状

量子技术的产业应用和市场渗透方面仍处于早期阶段，目前一个很大的潜在市场在未来几年内量子技术将成为大数据中心、5G 和物联网应用中的领先技术。通过刺激量子技术的研发，并且能够建立一个研究集群是非常必要的。

令人欣慰的是许多国家一直在大力投资量子领域的研究，例如在欧美国家当中，欧洲拥有着在光子集成方面的丰富经验和专业知识以及一个充满活力的研究创新生态系统，IPQT 和 qPIC 技术一直欧洲某些结构如 ERA- NET 重点资助的项目，目标是优化量子光子电路集成化中需要的材料，结构和器件。

而澳大利亚也是光子学领域的研究和产业化的传统强国，几个基于光谱学、网络安全和量子计算领域的初创企公司出现，推动了他们向量子光子学方向的转变；同时美国政府、学术和私营部门的资助对 PIC 技术的开发和制造发挥着重要作用，他们希望重点解决 PIC 中材料、制造、设备连接和标准化方面的挑战。

加拿大的研究重点则是偏向于量子加密安全、环境和健康监测传感器等领域；对于亚洲来说，中国一直在大力支持光量子技术的发展，实现了基于光子的量子计算机和远距离通信 QKD 领域等方向的突破，并且自 2015 年以来中国先后投入了约 5000 万元用于量子技术的开发。

而新加坡大约在 15 年前就建立了国家级量子技术中心，其目标是将量子科学技术发展为现实世界可应用的解决方案；传统光学强国日本受益于其集成光子学技术的强大背景，并已将部分技术开发用于商业光通信，例如应用片上光波导电路首次应用在 QKD 技术中，日本政府将光学和量子技术视为优先研发领域，并于 2020 年制定了量子技术创新战略。这些国家对量子技术的开发和重视都是推动基于集成光子学的量子技术前进的重要动力。

IPQT 的技术潜力和巨大市场

IPQT 的发展不仅需要硬件、软件的创新，还需要一条全新适配生产线来满足未来的标准化生产，特别是低损耗器件的制造。并且随着量子模拟技术和 AI 技术的发展将会加快相关器件的材料、设计和算法的开发。因此现在欧美和亚洲很多商业公司也参与到这项技术的研发当中，企图获得该项技术在未来市场当中的话语权。

（来源：Nature Reviews Physics）

在欧洲，除了许多积极参与的大公司如 Thales、Bosch、Atos、Telefonica 之外还有大量的初创公司和中小企业为 IPQT 提供着技术支持和相关产品，

在中国像华为、百度、腾讯和阿里巴巴等科技巨头都在投资该领域；新加坡则是以 LUX 光子学联盟为代表，这其中包括大型跨国公司、本土大公司和中小企业等。

在日本，光子量子技术的研发长期以来一直由 NTT、NEC、东芝、富士通、日立等大公司进行主导；而在美国，推动光子量子技术发展的企业和机构包括美国能源部联邦资助的研发中心、美国国防部、美国宇航局和雷神公司等。

因此在过去的 20 年里，光子量子技术的发展已经创造了许多重要里程碑，如何实现其高度集成化仍然是一个强大的挑战。

但可以充分借鉴 PIC 的发展路线，IPQT 的复杂创新周期需要技术瓶颈的突破、基础实验设施建设和资金投入的协同发展，并有望最终构建一个成熟的生态系统，以满足 IPQT 的技术挑战和全球市场的需求。并且基于未来的市场发展需要，还应该投入更多精力来培训下一代掌握 IPQT 技术的工程师团队。

因为无论商业化的量子器件采用何种技术，其基本的量子力学原理和技术路线都是相通的。因此该领域的科学家和工程师的需求将不断增加，教育的投入将有助于推动科学和技术前沿的发展。

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参考：

1、Pelucchi, E., Fagas, G., Aharonovich, I. et al. Thepotential and global outlook of integrated photonics for quantumtechnologies. Nat Rev Phys (2021).https://doi.org/10.1038/s42254-021-00398-z