光电集成芯片赋能规模化量子信息技术 | NSR发表多团队联合重磅综述

光电融合将光的高速调控与传输和电的精密操控有机结合，是推动光量子器件走向实用化的核心支撑。近期，一篇由中国科学技术大学、北京大学、国防科技大学、南京大学多家单位联合发表在《国家科学评论》（National Science Review，NSR）上的综述文章对此进行了系统总结。

文章梳理了片上光电集成技术的发展进展，介绍了其在量子光源、量子频率转换、量子通信、量子计算等方向的应用，剖析现存挑战并展望发展路径。这项成果有助于进一步优化片上光量子硬件方案，为后续可扩展光子量子系统的工程化研发提供参考。

该文将收录于NSR“光电融合”专题。文章通讯作者：任希锋（中国科学技术大学）,王剑威（北京大学）,徐平（国防科技大学）,龚彦晓、谢臻达（南京大学）。

光电集成打通量子芯片核心积木

研究团队系统剖析了支撑量子芯片的各类光电物理机制，包括热光效应、泡克尔斯电光效应、自由载流子色散效应、斯塔克效应，以及单光子探测用到的雪崩效应、超导纳米线临界电流抑制效应等。不同物理效应各有优劣：热光调谐工艺成熟，但功耗高、热串扰明显；薄膜铌酸锂的泡克尔斯效应可以实现皮秒级高速调制，却受限于材料与加工条件；超导纳米线单光子探测器拥有近乎理想的探测性能，又必须工作在低温环境之下。

为突破单一材料的性能天花板，异构混合集成成为主流方案。研究人员把硅、氮化硅、薄膜铌酸锂、III‑V族量子点、金刚石等各具特长的材料结合到同一块芯片体系，把量子光源、高速调制线路、高效率单光子探测器组合起来。

在这项综述中，团队梳理了三类异构集成路线：量子光源与量子接口集成、无源光路与高速有源调控器件堆叠、面向可制造性的完整系统级集成。文章指出材料兼容性、低温共设计、层间耦合损耗、良率管控，是现阶段最主要的技术障碍。

面向量子信息处理的光电集成芯片。电信号驱动片上光调制单元改变光子相位，实现量子态制备、干涉与变换。在单基板上集成光电协同器件，构建可扩展的量子信息处理硬件。

从通信、计算到量子传感，多场景验证芯片能力

研究人员进一步盘点了光电集成量子芯片在几大核心方向的实际进展：

• 在量子通信领域，集成芯片已经实现离散变量、连续变量两类量子密钥分发系统原型，部分模块已经做成可插拔封装组件，实现实时密钥生成；但完整收发芯片、配套低温电子控制电路还有待进一步发展。

• 在光量子计算方向，可编程干涉网络、容错相关量子资源态、千兆赫兹级快速前馈控制都已经得到实验演示，但大规模系统还需要解决校准、控制电子与光子芯片协同的难题。

• 除此之外，芯片化平台也正在赋能量子精密测量、微波‑光量子转换接口，有望搭建起超导量子处理器与光纤量子网络之间的桥梁。

为实用化量子硬件指明优化方向

文章指出，未来的研发需要持续提升光子全同性、探测效率、调制带宽等关键指标；探索二维材料、新型铁电薄膜等新材料带来的新调控机制。在量子通信方面要推进即插即用的整机模块，发展兼容低温环境的光电接口；面向量子计算，要发展配套专用集成电路，降低大规模芯片的控制开销；除此之外，光电量子芯片还有望催生量子‑经典混合系统，用于量子传感、量子模拟与量子机器学习加速。

这些总结与预判，将帮助全球科研团队跳出 “试错迭代” 的传统模式。“过去很多器件优化依靠反复试实验，现在我们完整梳理清楚整条技术链条的瓶颈，能够指导研究人员有针对性地开展芯片、封装与控制电路开发，加速推动实验室原型走向可规模化部署的光量子系统。” 团队表示，这项综述也为下一代大规模量子网络、容错光量子处理器的硬件研发提供重要参考依据。

研究论文

Integrated optoelectronic chip technologies for quantum information processing

National Science Review, nwag598, https://doi.org/10.1093/nsr/nwag598