01 前言

華中科技大學王健/劉駿團隊在《Science Advances》發表突破性研究，利用飛秒激光三維打印技術，制造出全球首個聚合物基超緊湊高維量子光芯片。該芯片僅160微米見方（約頭發絲直徑的1.5倍），卻實現了光子空間模式的三維量子邏輯門操作，保真度高達90%。這項技術將傳統量子設備體積縮小千倍，為光量子計算機的集成化邁出關鍵一步。

02 核心內容

1. 傳統量子光學系統的局限 ?

? ?傳統量子門（如基于空間光調制器SLM的系統）體積龐大、對準精度要求高，且需要持續供電，難以集成到小型化量子設備中。 ?

? ?光子的高維量子態（如拉蓋爾-高斯模式）能編碼更多信息，但實現高保真度的量子門操作一直是技術難點。??

2. 創新解決方案：聚合物MPLC芯片 ?

? ?研究團隊采用飛秒激光三維打印（TPP-FLDW）技術，在芯片上直接制造亞微米級三維結構，構建多平面光轉換（MPLC）系統。 ?

? ?結合衍射神經網絡（DNN）設計四層MPLC結構，實現高維量子門（如3D Hadamard門）的高效操作。 ?

? ?優勢：芯片尺寸小（特征尺寸僅1.6微米）、無需外部電源、支持級聯操作，比傳統SLM方案體積縮小數十倍。??

3. 實驗驗證：高保真度量子門 ?

? ?通過單光子源和量子過程層析技術，測得量子門保真度達90%，接近理論極限。 ?

? ?SEM表征顯示芯片結構精度極高（層厚52.22微米，像素尺寸1.58微米），驗證了制造工藝的可靠性。

03 研究意義

?量子計算：高維量子門是高維量子計算的核心，該芯片為構建更強大的量子處理器提供了硬件基礎。 ?

?量子通信：芯片的高集成度可提升量子密鑰分發（QKD）的密鑰率，增強信息安全。 ?

?未來方向：進一步優化結構精度，擴展至更高維量子門（如4D/5D），并推動光量子芯片的商業化應用。

PART.01?芯片結構設計圖

基于TPP FLDW技術制備的DNN超緊湊三維集成量子門示意圖

(A) 超緊湊DNN量子門結構

由四層衍射層構成，采用物鏡將輸入模式縮放到適宜尺寸并聚焦至輸入層。?

(B) TPP基FLDW加工設備

飛秒激光雙光子聚合直寫系統整體裝置。?

(C) 加工設備細節

油浸物鏡浸入光刻膠中完成浸沒式加工流程。?

(D) DNN量子門三維模型

器件物理結構數字化呈現。

PART.02?DNN設計的相位板

DNN量子門訓練集與結果

(A與B)訓練集的強度與相位分布?

強度圖（A）與相位圖（B）?

單位：a.u.(arbitrary units，任意單位)?

(C) 基于BPM的DNN模型訓練所得相位板高度分布

PART.03?實驗光路系統

物理DNN量子門的實驗裝置與表征

(A) 四層DNN量子門完整實驗系統

包含四大模塊：?

單光子源：自發參量下轉換光源?

態制備：SLM調控量子態?

量子門：衍射神經網絡器件(dnnQD)?

測量：投影測量與符合計數

核心光學元件：?

Col.：準直器

PC1/PC2：偏振控制器?

HWP：半波片?

M1-M4：反射鏡?

MRA：直角反射鏡（注：原文MRA應為直角反射鏡）?

L1-L6：透鏡?

Obj.1/Obj.2：物鏡（20×）?

SPD1/SPD2：單光子探測器?

C.C.：符合計數模塊?

(B) DNN量子門工作原理細節

展示光在四層衍射結構中的傳播路徑與相位調制過程。?

(C) DNN量子門實物圖

玻璃基底上的聚合物器件（箭頭標示160μm×160μm有效區域）。?

(D-G) 加工器件的SEM表征?

(D) 頂視電鏡圖（標尺：50μm）?

(E) 斜視角微結構（標尺：20μm）?

(F) 截面層間距測量（52.22μm）

(G) 像素局部形貌（像素尺寸：1.58μm）

PART.04?量子門性能驗證

FLDW制備三維量子門的實驗評估

(A與B) 理想輸入態與實驗輸入態（CMOS相機捕獲）?

(A) 理論模擬輸入態強度分布?

(B) 實測輸入態強度分布?

(C與D) 模擬輸出態與實驗輸出態（CMOS相機捕獲）?

(C) 理論模擬輸出態?

(D) 量子門作用后實測輸出態?

(E) 基于最大似然估計（MLE）的層析矩陣實驗結果

量子過程矩陣的測量重構結果?

(F) 三維H?門重構過程矩陣χ的實部與虛部（保真度90.1%）?

彩色柱：實驗三維H?門χ矩陣?

空心框：理論三維H?門χ矩陣?

特殊標注：負值柱狀圖翻轉顯示（白邊標識）

04 結語

從“跟跑”到“并跑”，中國團隊正用AI+激光開辟量子芯片新賽道。當傳統量子計算還在為“制冷費用”發愁時，這種室溫運行、郵票大小的光量子芯片，或許將率先走進實驗室甚至數據中心。正如論文通訊作者王健教授所說：“我們不僅造出了更小的量子門，更找到了一條通往未來的路。”

DOI： 10.1126/sciadv.adv5718

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