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大規(guī)模異質集成光量子芯片研究取得進展

文章來源：新能源網更新時間：2025-11-20 15:32:18

光量子芯片是推動光量子信息技術走向實用化的必然趨勢。當前，主流光量子芯片大多依賴基于非線性光學過程的概率性光源產生單光子信號，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，可實現確定性、高效率的單光子發(fā)射，是實現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絡互聯中的應用。

　　針對上述問題，中國科學院上海微系統與信息技術研究所聯合中山大學、中國科學技術大學，實現了基于固態(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控技術，并進一步實現了量子點單光子源寬范圍、高動態(tài)、可逆的光譜精細調諧。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，實現了空間分離的量子點單光子源之間的片上量子干涉互聯，為構建可擴展的片上量子網絡奠定了基礎。

　　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)?；旌霞晒饬孔有酒?。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動局域應力調控技術，實現了芯片集成、寬域調諧、4K低溫兼容、超低功耗（mW量級）、可逆調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制和聲表面波之外，片上量子調控這一新功能維度，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控，降低了三個數量級，其低溫兼容性和微瓦級功耗，可實現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，以實現片上光子的高速路由與糾纏分發(fā)，為實現容錯線性光量子計算與可擴展量子互聯網提供新的技術方案。

　　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

波導取向相關的量子點局域應力調控范圍統計

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