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大規(guī)模異質(zhì)集成光量子芯片研究取得進展

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-11-20 15:32:18

光量子芯片是推動光量子信息技術走向?qū)嵱没谋厝悔厔荨．斍埃髁鞴饬孔有酒蠖嘁蕾嚮诜蔷€性光學過程的概率性光源產(chǎn)生單光子信號，但光子發(fā)射具有“幾率”特性，導致發(fā)射效率低、多光子量子比特制備困難。相比之下，固態(tài)原子具有類原子的二能級結構，可實現(xiàn)確定性、高效率的單光子發(fā)射，是實現(xiàn)片上多光子量子比特制備的理想光源。然而，固態(tài)量子光源面臨頻率非均勻展寬與缺乏高效混合集成技術等瓶頸，限制了其在大規(guī)模片上集成與量子網(wǎng)絡互聯(lián)中的應用。

　　針對上述問題，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所聯(lián)合中山大學、中國科學技術大學，實現(xiàn)了基于固態(tài)原子（半導體量子點）確定性單光子源與低損耗鈮酸鋰薄膜的混合集成光量子芯片，提出了基于鈮酸鋰薄膜鐵電疇工程的片上局域應力調(diào)控技術，并進一步實現(xiàn)了量子點單光子源寬范圍、高動態(tài)、可逆的光譜精細調(diào)諧。同時，研究團隊發(fā)展出基于“微轉印”工藝的百納米精度混合集成技術，實現(xiàn)多達20個確定性量子點單光子源的同步片上集成與光譜調(diào)諧。通過材料功能創(chuàng)新與混合芯片架構突破，研究團隊在混合集成光量子芯片上，實現(xiàn)了空間分離的量子點單光子源之間的片上量子干涉互聯(lián)，為構建可擴展的片上量子網(wǎng)絡奠定了基礎。

　　團隊結合自組裝量子點與鈮酸鋰這兩種在光學研究領域中具有優(yōu)勢的量子材料，針對光量子芯片中多光子態(tài)擴展化制備這一長期存在的難題，創(chuàng)新“微轉印”混合芯片集成工藝，實現(xiàn)20個量子確定性量子光源與低損耗鈮酸鋰光子芯片的混合集成，構建了目前國際上基于量子點確定性光源的最大規(guī)模混合集成光量子芯片。同時，針對量子點、金剛石色心等片上固態(tài)量子體系固有的非均勻展寬問題，團隊提出基于鈮酸鋰薄膜鐵電疇工程的新型直流電壓驅(qū)動局域應力調(diào)控技術，實現(xiàn)了芯片集成、寬域調(diào)諧、4K低溫兼容、超低功耗（mW量級）、可逆調(diào)控五個關鍵特性集成。這一方法拓展了鈮酸鋰材料除電光調(diào)制和聲表面波之外，片上量子調(diào)控這一新功能維度，為鈦酸鋇、鈦酸鍶等其他新興鐵電薄膜材料在片上量子調(diào)控應用提供了關鍵技術指導。

　　該研究結合自組裝量子點與鈮酸鋰兩種量子材料，為擴展化光量子芯片發(fā)展提供了新的技術路線。同時，該量子點單光子源的片上集成密度達67 個/mm，厘米級芯片可容納1000+量子通道，且單通道量子點單光子源局域應力調(diào)控僅需微瓦功率損耗，相比硅光子芯片中毫瓦功耗的熱光調(diào)控，降低了三個數(shù)量級，其低溫兼容性和微瓦級功耗，可實現(xiàn)超導納米線單光子探測器的同時芯片集成。未來，團隊將進一步利用鈮酸鋰材料的高速電光效應，以實現(xiàn)片上光子的高速路由與糾纏分發(fā)，為實現(xiàn)容錯線性光量子計算與可擴展量子互聯(lián)網(wǎng)提供新的技術方案。

　　近日，相關研究成果發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院等的支持。

大規(guī)模半導體量子點—鈮酸鋰薄膜混合集成光量子芯片