? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??文丨浪味仙??排版丨浪味仙

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 行業動向：3000字丨8分鐘閱讀

內容提要

在量子技術邁向規模化應用的征程中，研究人員迎來了重要突破。

近日，波士頓大學、加州大學伯克利分校以及西北大學的科學家在《Nature Electronics》上發表論文，報告實現了全球首個集成電子、光子與量子模塊的單芯片系統。

01

突破性集成：

量子光子與經典電子的融合

近日，一項由西北大學、波士頓大學和加州大學伯克利分校科學家們共同完成的突破性研究，首次成功將微型光子量子系統集成到傳統的電子芯片中，研究成果已發表在《自然電子學》（Nature Electronics）期刊上。

這款首創的硅芯片首次將量子發光元件（光子器件）與經典電子控制電路集成于一體，所有功能模塊都封裝在僅一平方毫米的區域內。不僅如此，芯片還能自行產生量子光，并通過內置的智能電子系統實時保持光源的高度穩定。

這項電子-光子集成技術意義非凡，它使得單個芯片能夠可靠地產生持續的光子對流。“我們首次實現了電子、光子與量子系統的單芯片集成。”本研究資深作者之一、西北大學的 Prem Kumar 表示：“這是一項重大突破，因為電子與光子本就難以協同。這項成就源于一個跨學科合作團隊的努力，涵蓋了物理、電氣工程、計算機科學、材料科學和制造領域的專家。我們研發的芯片不僅適用于量子計算，還可廣泛應用于傳感和通信。”

?實驗過程中，研究人員將封裝好的芯片電路板放置在探針臺的顯微鏡下進行觀察。圖片來源：波士頓大學

“量子實驗通常需要龐大笨重的設備，并對環境要求極高。”來自西北大學、負責量子測量工作的 Anirudh Ramesh 表示：“我們將這些電子元件縮小并集成到一枚芯片上，實現了對量子過程的實時穩定控制，這是朝著可擴展量子光子系統邁出的關鍵一步。”

目前，Ramesh 正在美國量子計算公司 PsiQuantum 任職，擔任量子系統驗證工程師。

02

自我穩定機制：

克服量子挑戰的關鍵

硅芯片因其可采用制造傳統電子設備晶體管的高產能工業工藝制造，成為構建基于光的量子系統的理想平臺，但要使這些微型量子光學器件穩定運行，目前的商業晶圓代工仍缺乏必要的支持能力，因為哪怕是輕微的溫度波動、微小的制造誤差，甚至是器件本身產生的熱量，都會破壞整個量子系統。

過去，研究人員只能借助大型外部設備來穩定這些量子光器件，這也成為微型化系統的一大障礙。而此次，研究團隊使用了一種能夠在硅中產生量子光的技術，這一技術源于西北大學 Prem Kumar 教授在 2006 年發表于《光學快報》雜志的一項研究：他們首次證明，將一束集中的光束照射到硅中蝕刻的微小、設計恰當的通道中，可以自然地產生光子對，而這些光子對是固有糾纏的，因此可以作為量子比特。

正如電子芯片依賴電流、光通信依賴激光驅動，未來的量子技術也將依賴穩定、可控的量子光資源單元來執行其核心功能。為滿足這一需求，研究團隊在硅芯片上構建出一組“量子光工廠”陣列，每個單元尺寸不到 1×1 毫米。要在芯片上生成量子光態，必須依賴精密構造的光子器件，特別是微環諧振器，這也是最近被英偉達 CEO 黃仁勛點名為未來 AI 計算硬件通過光互連實現擴展的關鍵元件。

為了生成連續穩定的量子光（以成對相關光子形式輸出），諧振器必須與注入的激光光源保持精準同步：激光既為每個“量子光工廠”提供能量，也是生成過程的驅動源。但這些微環諧振器對溫度變化和制造誤差極為敏感，稍有偏差便可能導致失諧，從而干擾穩定光子的輸出。

為此，團隊開發了一種片上主動穩定機制，用于實時調節與鎖定硅基微環諧振器的工作狀態，從而維持其輸出光子對的穩定性。每塊芯片包含 12 個并行運行的光子對發生器，每一個諧振器在溫度波動和鄰近器件干擾下，都需持續與其注入激光保持同步，確保整套系統的協同運行。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?電子–光子量子系統芯片
突破來源：Nature Electronics（2025）

微環諧振器作為量子光源的基礎模塊，其高度敏感特性可謂雙刃劍：正是這種靈敏度使其能夠在極小的芯片面積上高效產生量子光流，但同樣也意味著系統對溫度變化極其敏感，極易影響光子對的生成穩定性。

波士頓大學牽頭的研究團隊通過在微環諧振器中集成光電二極管實現突破，既能監控激光輸入與諧振器的對準情況，又不會干擾量子光的生成。同時，芯片內集成的加熱器與控制邏輯可根據系統漂移情況自動調整諧振頻率，保持整個系統的穩定工作狀態。

03

量產潛力：

商業代工廠的認可

為了確保他們復雜的量子芯片能夠使用標準 CMOS 工藝進行制造，研究團隊采用了一種巧妙的設計策略：將光子組件直接集成進商用 CMOS 工廠已有的芯片制造結構中。

“相比我們之前的工作，這次最大的挑戰在于，在嚴格遵守商業 CMOS 平臺規范的前提下，完成一套滿足量子光學苛刻要求的光子設計。”波士頓大學博士生、光子器件負責人 Imbert Wang 表示：“這一點實現了電子控制與量子光學的真正協同設計。”

借助內建的反饋控制機制，該芯片即使面臨溫度變化與工藝差異，依然能夠穩定輸出，具備良好的可擴展性。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 芯片的特寫圖像

“我們的目標是證明，復雜的量子光子系統完全可以在一枚 CMOS（互補金屬氧化物半導體）芯片中構建并實現穩定運行。”Kramnik 表示：“這背后需要多個通常并不交叉的領域之間進行高度協同配合。”

隨著量子光子系統規模和復雜度的持續提升，這類高度集成的量子芯片有望成為諸多前沿科技的基礎構件，例如安全通信網絡、先進傳感系統，以及未來的量子計算基礎設施。

“量子計算、通信和傳感面對的是一條從理論邁向現實的漫長發展道路。”資深研究作者?Popovi??教授指出：“這雖是微小的一步，卻意義重大，它表明我們完全可以在商用半導體工廠中構建出可重復、可控的量子系統。”

據了解，該研究由國家科學基金會、帕卡德科學與工程獎學金以及 Catalyst 基金會資助，芯片制造支持來自 Ayar Labs 和 GlobalFoundries。

Reference：

1、https://techxplore.com/news/2025-07-electronicphotonic-quantum-chip-commercial-foundry.html

2、Nature Electronics（2025）

DOI: 10.1038/s41928-025-01410-5

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