近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究人員首次在鈮酸鋰芯片上揭示了鐵電材料在低溫環(huán)境下的調(diào)控功能，實現(xiàn)了片上獨立調(diào)控，打造了直流直驅(qū)鐵電疇工程新技術(shù)，讓可擴展量子光源的芯片化集成得以成功解決。

實驗結(jié)果顯示，量子干涉的可見度高達 0.73（完美值是 1），證明這兩個量子點之間建立了一條可靠的量子鏈接，這也是人們首次在鈮酸鋰芯片上實現(xiàn)如此高質(zhì)量的量子干涉，為通向容錯線性光學(xué)量子計算鋪平了道路。

同時，他們此次在鈮酸鋰上實現(xiàn)的直流驅(qū)動鐵電疇工程功能，為芯片上的量子調(diào)控以及新興量子材料在量子調(diào)控中的應(yīng)用提供了一條全新路線，也為具有相似特性的材料在量子光學(xué)中的應(yīng)用提供了重要指南，相關(guān)論文發(fā)表于Nature Materials。

圖 | 相關(guān)論文（來源：https://www.nature.com/articles/s41563）

量子網(wǎng)絡(luò)也需要“量子燈泡”和“量子電線”

在量子世界，一個微小的粒子比如光子可以同時處于多個位置，這就好比有一天你可以同時出現(xiàn)在公司辦公樓和小區(qū)居民樓一樣神奇，這種分身術(shù)就叫量子疊加。

兩種粒子之間還能建立一種“心靈感應(yīng)”，即使相隔很遠也能瞬間影響對方，這就是量子糾纏。一直以來，人們希望使用這些神奇的特性來建造量子網(wǎng)絡(luò)。

量子網(wǎng)絡(luò)是一種超級安全、超級快速的量子互聯(lián)網(wǎng)，信息會被編碼在光子上進行傳遞。正如一盞臺燈需要同時擁有燈泡和電線才能發(fā)光一樣，量子網(wǎng)絡(luò)也需要“量子燈泡”和“量子電線”。

“量子燈泡”是指能夠穩(wěn)定發(fā)射單個光子的光源，“量子電線”則是能夠傳輸光子但卻不會丟失的光路。人們發(fā)現(xiàn)，一種叫做量子點的納米材料堪稱是完美的“量子燈泡”。量子點比頭發(fā)絲細一萬倍，每次被激光點亮?xí)r，就會吐出一個光子。

而鈮酸鋰這種透明晶體，是制作“量子電線”的絕佳材料。光在里面跑得又遠又快，而且損耗非常低。雖然量子點可以點亮一次吐出一個光子，但是每個光子發(fā)出的顏色都不一樣，以至于所有光子無法在量子網(wǎng)絡(luò)中完成“合唱”，自然也就無法完成量子通信。此前，人們曾嘗試通過調(diào)整溫度和電場來統(tǒng)一顏色，但是要么所有“量子燈泡”一起變色，要么就是調(diào)色范圍太小。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1）

讓所有量子點唱出同一個“音高”

本次研究團隊則想出了一個絕妙方案：他們發(fā)現(xiàn)薄薄的鈮酸鋰晶體擁有壓電效應(yīng)，當(dāng)給它充電的時候，它就會微微地伸縮。于是，他們將量子點旁邊制作了微小的電極，通電之后晶體產(chǎn)生的微小應(yīng)變會擠壓量子點，從而改變它發(fā)出的光子顏色。

更重要的是，每個量子點都可以獨立調(diào)色，就好比給合唱團里的每個“歌手”都配了一位專屬“調(diào)音師”。通過此，他們實現(xiàn)了高達 7.7meV 的調(diào)色范圍，這相當(dāng)于把“歌手”的音域拓展了 1000 倍，足以讓所有量子點唱出同一個“音高”。那么，如何讓微小的量子點精確地安裝到鈮酸鋰芯片上？

為此，研究團隊發(fā)明了一種高精度的轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)，使用一塊像橡皮圖章一樣的透明聚二甲基硅氧烷（PDMS，Polydimethylsiloxane）印章，將量子點波導(dǎo)從原基底上蘸起來，然后再精準(zhǔn)地印到鈮酸鋰電路上。這項技術(shù)的對齊精度高達 100 納米，相當(dāng)于把一根頭發(fā)絲劈成 500 份的寬度，集成了 20 個量子信道，成功率達到 100%。

同時，他們讓兩個獨立的量子點發(fā)出的光子在芯片上完成了量子干涉。這就像讓兩個素未謀面的“歌手”，在黑暗中同時唱出了同一個音符，而且能夠完美重合。當(dāng)兩個光子同頻時，它們會像好朋友一樣手拉手地從同一個出口離開；當(dāng)兩個光子不同頻時，它們則會各走各的路。

在應(yīng)用前景上：

首先，本次成果有望打造更強大的量子計算機。未來，一個厘米見方的芯片上就能集成上千個量子信道，功率卻只有幾毫瓦，甚至比手機還要省電。因此，這樣的芯片將能用于建造更強大的量子計算機，進而用于解決藥物設(shè)計、天氣預(yù)報等復(fù)雜問題。

其次，本次成果有望實現(xiàn)絕對安全的通信。任何竊聽行為都會破壞光子的量子狀態(tài)，而量子網(wǎng)絡(luò)具備天生防竊聽的特點，因此可被用于未來的政府通信和銀行轉(zhuǎn)賬等。

再次，直流直驅(qū)鐵電疇工程這項技術(shù)在固態(tài)原子體系應(yīng)用中展現(xiàn)出了獨特優(yōu)勢，由此能夠構(gòu)建一個兼具兼容性與開放性的平臺，其不僅能被用于量子點光源調(diào)控，還可擴展至各類固態(tài)體系和二維材料等新型材料，也可拓展至傳統(tǒng)的鍺硅體系等。

對于那些需要通過應(yīng)變調(diào)控實現(xiàn)在線探測的鍺硅材料，本次平臺都能提供高度開放的系統(tǒng)解決方案，因此不僅在鈮酸鋰薄膜體系中具有應(yīng)用價值，也可用于更廣泛的鐵電薄膜材料體系。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1）

讓鈮酸鋰?yán)喜牧祥_“新花”

如前所述，研究團隊結(jié)合鈮酸鋰的直流驅(qū)動鐵電疇工程，在芯片上實現(xiàn)了局域電場，進而將其用于調(diào)控量子點，從而讓不同量子點之間實現(xiàn)對話和干涉。對于量子點這類確定性的固態(tài)原子光源來說，其所存在的固有特性問題是：它們的發(fā)射頻率不一致，每個光源頻率都不同。

那么，如何在芯片上解決這個問題？以及如何在分立器件上解決它們之間的互聯(lián)問題？面對這些問題，研究團隊一是希望將盡可能多、盡可能高質(zhì)量的光源集成到芯片上，二是希望在芯片上開發(fā)調(diào)控技術(shù)。

一開始他們使用的是氮化鋁，但是其調(diào)控范圍很小，無法應(yīng)對量子點寬至幾十毫電子伏特的譜線展寬。在宏觀層面，量子通信和量子計算需要大量的光子計算資源。如果使用單一光源來提供多光子資源，所消耗的資源必然遠遠高于使用多個光源。這讓量子通信、量子模擬和量子計算對于多光子資源提出了迫切需求，正是這些挑戰(zhàn)促使他們探索鈮酸鋰這一新的材料體系。

據(jù)了解，在光學(xué)領(lǐng)域有兩種材料備受關(guān)注：一種是半導(dǎo)體量子點，另一種是鈮酸鋰材料。通常人們認為鈮酸鋰材料擁有兩個常用功能：第一是用于高速電光調(diào)制，第二是用于聲表面波器件。

而在本次研究之中，他們開發(fā)出了鈮酸鋰的新功能——直流驅(qū)動鐵電疇工程，這是一個在工程維度上的新開拓。此前，人們未曾想到在 130K 的低溫條件下，鈮酸鋰竟然具備這種特性，并能被用于量子光學(xué)和量子調(diào)控。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1）

另據(jù)悉，本次芯片采用了混合架構(gòu)，但其設(shè)計理念和部分技術(shù)繼承于傳統(tǒng)微電子芯片和硅光芯片。之前，人們普遍發(fā)現(xiàn)單一材料體系已經(jīng)無法完全滿足通信和量子等領(lǐng)域的需求。以硅材料為例，雖然它能實現(xiàn)低損耗光路，但其本身不能發(fā)光，在調(diào)制時產(chǎn)生的損耗較高，將其用作探測器的時候性能也非最優(yōu)。

事實上，各類器件的最優(yōu)性能往往是在不同材料體系上實現(xiàn)的。混合架構(gòu)芯片的核心目標(biāo)，正是將在不同材料上開發(fā)的最優(yōu)性能器件集成到同一芯片上。這種混合集成思路在傳統(tǒng)微電子領(lǐng)域已有實踐，比如長江存儲等企業(yè)就曾通過混合架構(gòu)將不同制程的芯片集成在一起。

在光子芯片領(lǐng)域，當(dāng)硅光芯片缺乏激光源時，人們也經(jīng)常采用混合集成方式引入激光器。而在光量子芯片這一更加前沿的領(lǐng)域，由于技術(shù)復(fù)雜度更高因此關(guān)于混合架構(gòu)的研究相對較少。因此，本次研究團隊可能是國內(nèi)最早開展這一研究方向的團隊之一，但也因此格外需要勇闖無人區(qū)的勇氣。為了把不同材料的最佳器件集成到同一芯片并保持其性能，他們克服了不少困難。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1）

需要說明的是，光量子計算依然面臨重大挑戰(zhàn)：一方面是如何制備確定性的多光子資源，另一方面是如何構(gòu)建確定性的量子邏輯門。

目前，片下量子點光源的高質(zhì)量已經(jīng)得到證明，接下來研究團隊將探索如何提升片上光源的質(zhì)量。這就需要進一步地集成微腔，并針對微腔進行有效調(diào)控。預(yù)計通過集成微腔讓光子性能得到提升至后，將能向應(yīng)用層面逐步推進，從而開展光量子模擬和光量子計算等前沿研究。

未來，研究團隊將致力于實現(xiàn)三大功能器件的片上集成：基于鉭酸鋰的高速調(diào)制器、超導(dǎo)納米線單光子探測器，以及高性能量子光源。目標(biāo)是在未來2-3 年內(nèi)將這三種性能最優(yōu)的功能器件集成到同一芯片上，構(gòu)建完整的硬件平臺。

參考資料：

相關(guān)論文https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1