迈向量子未来：全球首颗量子光子混合晶片问世

由美国波士顿大学、加州大学柏克莱分校与西北大学组成的跨校研究团队，成功打造出全球首颗将量子光源与控制电子元件整合于单一晶片的装置，并以商业化的 45 奈米 CMOS 制程完成原型设计。这项创举象征着量子技术迈向实用化与规模化的重要一步，其成果已发表于《Nature Electronics》期刊。

微环共振器：打造量子光源的关键元件

该晶片的核心在于利用矽基微环共振器作为量子光源。研究团队透过非线性光学效应，在这些共振器中产生「连续的相关光子对（光粒子）流」（Correlated Photon Pairs），为量子通讯、量子感测与量子计算等应用提供必要的量子位元（Qubit）。

然而，微环共振器虽然效率高，但对于温度与制程误差极为敏感，稍有偏移就可能导致光子产生不稳定。因此，如何让这些共振器稳定运作，成为实现量子系统扩展的关键挑战。

即时监控与自动校准：从实验室迈向实用平台

为了确保量子光稳定输出，研究团队在每个共振器内嵌了光电感测器与微型加热器，再加上晶片上的控制逻辑，得以实现即时监控与频率自动校准的功能。这种设计赋予晶片「自我监控、自我调整」的能力，即使在面对环境温差或电磁干扰时，仍能稳定产出量子光源。

透过这样的设计，即使制造过程中存在些微差异，或晶片操作时环境出现波动，系统都能维持高稳定性，这正是量子系统能否规模化应用的关键条件。

单晶片整合的量子光工厂

研究团队在晶片上建构了一个「量子光工厂」阵列，每个单元仅 1mm² 左右，总共包含 12 个可同步运作的量子光源。每个光源都需要与雷射精准同步，并保持频率一致性，以稳定产出高品质光子对。透过整合加热器、光电二极体与回馈控制逻辑，每一个单元都能即时调整与同步，突破了以往量子光源无法长时间稳定运作的障碍。

CMOS制程实现量子技术：成本与可制造性的突破

不同于过去许多量子元件仍停留于实验室阶段，这次的晶片完全采用标准的 45 奈米 CMOS 制程制造。这代表该技术可望在现有半导体产线上直接量产，显著降低制造门槛与成本，并加快量子技术的商业化进程。

该制程由波士顿大学与格芯（GlobalFoundries）、光子晶片新创 Ayar Labs 共同开发，后者现已是光互连领域的领导厂商。透过与西北大学的合作，该平台不仅能实现高效能运算与 AI 所需的光通讯，还可延伸至复杂的量子光子系统。

跨领域合作的力量

本次研究的成功来自电子学、光子学与量子测量三大领域的紧密合作。波士顿大学副教授 Miloš Popović 强调：「这是我们在可扩展量子系统实现道路上的重要一步，证明了在商业代工厂中制造可重复、可控的量子晶片是可能的。」

西北大学的 Prem Kumar 教授则指出：「若无这种跨学科协作，是无法完成如此精密且稳定的量子系统的。」

应用前景广阔，挑战仍在前方

这项技术的潜在应用涵盖安全量子通讯、高精度感测装置，以及量子电脑的核心架构。尤其在未来的量子网路建设中，稳定、可控的光子对产生装置将是基础中的基础。

然而，目前这项技术仍处于原型阶段，尚未公开大规模生产的良率与成本结构，也未释出具体的量子运算效能数据。未来若要进一步推向商业应用，仍须经过更多的测试验证与跨领域整合。

结语：量子革命的起点

这颗结合量子光子与CMOS制程的晶片，无疑为量子技术应用开启了一扇新大门。从学术研究走向实际应用，需要的不仅是技术突破，更需要持续的跨领域协作与创新思维。尽管路途遥远，但这颗晶片，无疑是量子未来的一道重要起点。

参考资料:

• 首款混合式量子晶片亮相，结合电子、光学与量子控制于 45 奈米制程
• World’s First Hybrid Chip Combines Electronics, Photonics, and Quantum Power
• “CMOS晶片上量子光源的可扩展回馈稳定性”，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

(首图来源:波士顿大学)

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