由美國波士頓大學、加州大學柏克萊分校與西北大學組成的跨校研究團隊，成功打造出全球首顆將量子光源與控制電子元件整合於單一晶片的裝置，並以商業化的 45 奈米 CMOS 製程完成原型設計。這項創舉象徵著量子技術邁向實用化與規模化的重要一步，其成果已發表於《Nature Electronics》期刊。
目錄
微環共振器：打造量子光源的關鍵元件
該晶片的核心在於利用矽基微環共振器作為量子光源。研究團隊透過非線性光學效應，在這些共振器中產生「連續的相關光子對（光粒子）流」（Correlated Photon Pairs），為量子通訊、量子感測與量子計算等應用提供必要的量子位元（Qubit）。
然而，微環共振器雖然效率高，但對於溫度與製程誤差極為敏感，稍有偏移就可能導致光子產生不穩定。因此，如何讓這些共振器穩定運作，成為實現量子系統擴展的關鍵挑戰。
即時監控與自動校準：從實驗室邁向實用平台
為了確保量子光穩定輸出，研究團隊在每個共振器內嵌了光電感測器與微型加熱器，再加上晶片上的控制邏輯，得以實現即時監控與頻率自動校準的功能。這種設計賦予晶片「自我監控、自我調整」的能力，即使在面對環境溫差或電磁干擾時，仍能穩定產出量子光源。
透過這樣的設計，即使製造過程中存在些微差異，或晶片操作時環境出現波動，系統都能維持高穩定性，這正是量子系統能否規模化應用的關鍵條件。
單晶片整合的量子光工廠
研究團隊在晶片上建構了一個「量子光工廠」陣列，每個單元僅 1mm² 左右，總共包含 12 個可同步運作的量子光源。每個光源都需要與雷射精準同步，並保持頻率一致性，以穩定產出高品質光子對。透過整合加熱器、光電二極體與回饋控制邏輯，每一個單元都能即時調整與同步，突破了以往量子光源無法長時間穩定運作的障礙。
CMOS製程實現量子技術：成本與可製造性的突破
不同於過去許多量子元件仍停留於實驗室階段，這次的晶片完全採用標準的 45 奈米 CMOS 製程製造。這代表該技術可望在現有半導體產線上直接量產，顯著降低製造門檻與成本，並加快量子技術的商業化進程。
該製程由波士頓大學與格芯（GlobalFoundries）、光子晶片新創 Ayar Labs 共同開發，後者現已是光互連領域的領導廠商。透過與西北大學的合作，該平台不僅能實現高效能運算與 AI 所需的光通訊，還可延伸至複雜的量子光子系統。
跨領域合作的力量
本次研究的成功來自電子學、光子學與量子測量三大領域的緊密合作。波士頓大學副教授 Miloš Popović 強調：「這是我們在可擴展量子系統實現道路上的重要一步，證明了在商業代工廠中製造可重複、可控的量子晶片是可能的。」
西北大學的 Prem Kumar 教授則指出：「若無這種跨學科協作，是無法完成如此精密且穩定的量子系統的。」
應用前景廣闊，挑戰仍在前方
這項技術的潛在應用涵蓋安全量子通訊、高精度感測裝置，以及量子電腦的核心架構。尤其在未來的量子網路建設中，穩定、可控的光子對產生裝置將是基礎中的基礎。
然而，目前這項技術仍處於原型階段，尚未公開大規模生產的良率與成本結構，也未釋出具體的量子運算效能數據。未來若要進一步推向商業應用，仍須經過更多的測試驗證與跨領域整合。
結語：量子革命的起點
這顆結合量子光子與CMOS製程的晶片，無疑為量子技術應用開啟了一扇新大門。從學術研究走向實際應用，需要的不僅是技術突破，更需要持續的跨領域協作與創新思維。儘管路途遙遠，但這顆晶片，無疑是量子未來的一道重要起點。
參考資料:
- 首款混合式量子晶片亮相，結合電子、光學與量子控制於 45 奈米製程
- World’s First Hybrid Chip Combines Electronics, Photonics, and Quantum Power
- “CMOS晶片上量子光源的可擴展回饋穩定性”，作者：Danielius Kramnik、Imbert Wang、Anirudh Ramesh、Josep M. Fargas Cabanillas、Ðorđe Gluhović、Sidney Buchbinder、Panagiotis Zarkos、Christos Adamopoulad、hović、Sidney Buchbinder、Panagiotis Zarkos、Christos Adamopoulad、Prmanadoulad、zPrm、MojirzMr. Popović，2025年7月14日，《自然‧電子學》。 DOI ：10.1038/s41928-025-01410-5
(首圖來源:波士頓大學)
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