量子计算的“微缩”革命：哈佛大学单片超薄芯片突破量子计算障碍

十大品牌 2025年07月27日 17:01 0 aa

在走向实用化量子的深度征途上，一个核心挑战始终是其庞大、复杂且极不稳定的计算机物理系统。目前，一个典型的量子光学实验室，往往需要涉及整张光学平台，上面布满了不计其数的镜头、分束器和器件，这些分立元然而，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的一项最新突破，有望将这个庞然大物“压缩”到一个指尖大小的芯片上，为构建可扩展的量子计算机和量子网络扫除了一个关键障碍。

该团队的成功在单毫米级芯片上，集成了、路由和过滤量子位（即单光子）所需的所有组件关键，首次实现了一个功能齐全的片上量子光源这一成果。成就不仅是工程学上的出色成果，更涉及量子技术正从实验室的“时代桌面”迈向集成高度的“芯片时代”。

量子技术的“尺寸”瓶颈

无论是进行超强算力的量子计算，还是构建无法被监听的量子通信网络，其核心都依赖于单个量子——通常是光子——的精密操控。光子作为信息的载体，需要在量子态下被生成、引导、与其他光子发生纠缠，并最终被测量。在传统系统中，实现这些操作的每一个步骤，都依赖于一个独立的、宏观尺寸的光学元件。

“搭积木”式的方法，虽然在原理性验证中卓有成效，但其弊端也随之而来。它不仅占用了巨大的物理空间，使得系统成本高昂，更重要的是，这些分立元件组成的系统极易受到振动环境、温度变化等因素的干扰，导致量子态的“退相干”——即量子信息的丢失。这使得系统将处理数十甚至数百万量子比特的规模，成为一项几乎不可能完成的任务。因此，实现所有光学组件的片集成上，被视为量子技术走向实用化的必由之路。

“绝缘体上铌酸锂”平台的胜利

为了攻克这一难题，在哈佛大学电子工程学教授马可·隆查尔（Marko Lončar）领导的团队中，将目光投向了一种被称为“绝源体上等于酸锂”（Lithium Niobate on Insulator， LNOI）的先进材料平台。传统的铌酸锂材料优异的高效电光特性（即能通过实地改变光的传播特性）而激发“光子学领域的硅”，但长期以来，将加工成纳米级的集成光路一直是个巨大的挑战。隆查る团队前期的工作，成功利用这种高性能材料制成了薄膜，为在芯片上构建微型复杂的光子回路铺平了其道路。

在这块全新的芯片上，研究人员以外部的集成度，雕刻出了一个完整的量子光源系统。其核心是一个“微环谐振器”，当一束激光泵浦这个微环时，会通过非线性效应（自发参量转换下），概率地产生配对的紧接光子。紧接上，片上的“相位调制器”对这些光子进行控制，将其所需的量子态。最后，一系列集成的“激光器”将泵浦激光的残留或噪声消除，并确保最终输出干净的、特定量子态的单个光子。

论文主要作者之一、博士后研究员杨笛表示：“过去，这三个功能组件中的任何一个，都是一个独立的研究项目。而我们首次将它们全部集成到了一个芯片上。”这种高度集成不仅大大缩小了系统的尺寸，更重要的是，由于所有组件都在同一个块芯片上，其稳定性和抗干扰能力得到了质的提升。

开启可扩展量子网络的未来

这一突破的意义远不止于制造一个微型化的光源。它为构建大规模、高速的光量子处理器和多个量子网络提供了核心的、可扩展的构建模块。在光量子计算领域，未来的处理器将需要数千个片上光源同步工作。而在量子通信领域，该芯片可以作为量子站中继或终端设备的核心，用于生成和队列承载加密的光子，构建理论上无法破解的安全网络。

隆查尔教授表示：“目前，量子技术领域的竞赛，很大程度上是一场关于如何将复杂的量子系统的竞赛，从宏观尺度缩小到微芯片竞赛的竞赛。我们展示的成果，是竞赛中一个基础性、关键性的里程碑。”

当然，从实验室的单个芯片，到真正服务于大规模量子和全球量子互联网，人工智能要走很长的路。研究团队的下一步工作，将是继续提升芯片上光源的性能和效率，并探索如何将多个这样的芯片互联起来，构建更复杂的量子信息处理系统。尽管挑战仍然存在，但哈AFO的这项工作，无疑已经让我们脱离了那个由量子技术驱动的未来，又近了坚实的一大步。