基于光子平台的量子芯片技术：Nature 系列最新进展

过去，芯片是电子器件的集合，而如今，一种以“光”为核心的全新芯片体系正加速成形。量子光子芯片，将光子作为信息载体，集成发光、调控、探测等功能单元，在纳米尺度上完成量子态的操控、传输与转换，成为连接量子计算、量子传感与量子通信的关键平台。

这一领域正成为量子信息科学的核心研究热点，吸引了全球顶尖研究机构的投入。近期，三项发表在《Nature》《Nature Nanotechnology》和《Communications Materials》上的研究，分别在光子量子计算平台、基于金刚石的高灵敏度传感器与微波-光频率转换器方向实现重要突破。这些成果不仅验证了量子光子芯片的工程可行性，更展现了其在未来构建可扩展、低噪声、强互联的量子系统中的关键作用。

在发表于《Nature》的研究中，PsiQuantum 公司（美国）联合GlobalFoundries，通过工业级 300 mm 硅光子工艺，提出并验证了一种可大规模制造的光子量子计算平台。该平台集成了光子对生成、调控干涉、量子测量与芯片间互联等多个功能模块，构建了支持双轨编码的量子比特系统。

研究者采用硅光子波导结构结合超导单光子探测器（SNSPD），实现了以下关键指标：

• 单量子比特制备与测量保真度达 99.98% ± 0.01%；

• 独立源间 Hong–Ou–Mandel 干涉可见度为

  99.50% ± 0.25%；

• 双比特 Bell 态融合保真度达 99.22% ± 0.12%；

• 芯片间量子比特互联保真度为 99.72% ± 0.04%

  （光纤连接，C 波段传输）。

同时，团队还展示了面向容错计算所需的下一代器件，包括低损耗氮化硅波导（<0.5 dB/m）、高效率光子数分辨探测器（PNRDs）及 BTO 电光调制器，为大规模容错光子量子计算系统奠定了器件基础。

图1 量子基准电路

（这些电路可以通过示意图中红色指示的热移相器进行重新配置）

a：量子态制备和测量示意图；

b：点对点量子比特网络；

c：双光子量子干涉；

d：双量子比特融合测量。

东京工业大学 Katsumi Ryota 等人报道了一种基于金刚石微环谐振器的集成量子磁传感器。该器件通过在金刚石单晶中引入高密度 NV（nitrogen-vacancy）色心，并构建微米级光学谐振腔，实现对磁场的高灵敏度探测，适用于纳米尺度的物理场测量。

在器件制备方面，研究者采用“pick-flip-and-place”转印工艺，将微环结构高效集成至 SiO₂ 光子平台，并利用波导结构实现对 NV 色心荧光信号的高效耦合与读取。实验表明，该系统在室温下即可稳定运行，ODMR（光学检测磁共振）信号对比度达到 25%，接近理论极限，同时实现了 NV 色心的自旋操控，相干时间（T₂）可达 6.0 微秒。在磁场灵敏度方面，原始结构下可达到 1.0 μT/√Hz，通过引入光波导耦合优化后，进一步提升至 1.3 nT/√Hz，展现出优异的信号获取能力。

该工作证明了金刚石量子传感器在微纳尺度集成、光子耦合效率与高灵敏度磁测量方面的潜力，为构建芯片级生物医学和材料分析传感器奠定了基础。

图2 

a：金刚石环谐振器与SiN低损耗波导光学耦合的示意图。

（插图：所研究结构的横截面）

b：637nm处腔谐振模式的电场分布（Ey分量）。

加州理工学院 Mirhosseini 团队提出了一种基于硅纳米力学谐振结构的微波-光子量子转换器，实现了在单光子噪声水平下的连续转导操作。该系统面向低温超导量子比特与远程光子通信节点之间的互联需求，是构建量子互联网基础设施的关键器件之一。

该器件通过电静力驱动实现微波与机械模态之间的耦合，同时利用光弹效应将机械振动有效转化为光学信号，从而在同一纳米结构中实现了微波、机械与光学三者的协同交互。实验显示，该系统在不依赖脉冲操作的连续驱动模式下，成功将微波信号上转换至光频，且整个过程中的输入参考附加噪声低至 nₐdd = 0.58，达到了“量子可用”门槛。此外，该转换器在特定参数下实现了22%的转导效率，带宽-效率乘积约为1.9 kHz，相较于现有同类系统提升了近两个数量级。更重要的是，该系统完全基于硅材料构建，规避了压电材料对超导量子器件可能造成的相干性损耗，具有良好的 CMOS 兼容性与低温操作稳定性。

图3 电光机械传感器示意图

机械谐振器通过同时耦合到微波谐振器和光学谐振器

来介导微波-光学频率转换。

输入微波信号通过静电驱动转换为机械振荡。

机械振荡调制泵浦光腔，从而产生转换后的光输出。

图5 芯片的光学显微镜图像

综上所述，三项前沿研究分别从量子计算核心平台（PsiQuantum）、高灵敏度量子传感器（东京工业大学）和量子互联接口（加州理工学院）出发，展示了光子芯片在不同子系统中的集成路径与关键性能突破。这些成果不仅证明了光子平台在低噪声、高保真、强互联方面的天然优势，也预示着量子系统从“实验演示”走向“可制造、可部署”的新阶段。这也对器件制造提出了更高要求，特别是对亚微米结构、高纵深刻蚀、高折射率材料加工等方面的精度与一致性控制提出挑战。