近日，来自美国西北大学、波士顿大学（BU）与加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的研究人员，首次在传统电子芯片中成功集成了微型光子量子系统，标志着量子光源与电子控制电路实现了前所未有的紧密结合。

这款创新芯片大小仅为1毫米×1毫米，在极小的面积内同时集成了量子光子器件与经典电子控制电路。它不仅能够产生用于量子通信、传感和计算的光子对，还能通过内建的智能电子系统实时稳定输出，实现对量子光的自主调控。

更具突破性的是，该芯片由商业半导体晶圆厂制造完成，显示出其具备规模化生产的潜力。这项研究成果已发表在《自然电子学》（Nature Electronics）期刊上。

“以往的量子实验依赖体积庞大、对环境极为苛刻的实验设备，”该项目量子测量负责人、西北大学的Anirudh Ramesh表示，“而我们将多个关键电子功能微缩整合在一个芯片中，实现了实时稳定量子过程控制。这是迈向可扩展量子光子系统的重要一步。”

西北大学电气与计算机工程教授、光子通信与计算中心主任Prem Kumar指出：“这是首次实现了单芯片的电子、光子与量子系统的集成。要将电子学与光子学融合并不容易，这是物理学家、工程师、材料科学家与制造专家跨学科协作的成果。这款芯片未来将在量子计算、通信及传感等多个领域开启新可能。”

芯片自发量子光、具备自我稳定能力

由于可采用与常规电子芯片相同的大规模生产工艺制造，硅芯片被视为构建光基量子系统的理想平台。

然而，稳定运行这些微型量子光学器件所需的精准控制能力，长期以来超出了现有商业晶圆厂的标准。微小的温度变化、制造误差，甚至芯片自身产生的热量，都可能干扰整个量子系统。

为维持稳定，研究人员过去只能依赖大型外部设备进行调控，使得系统难以小型化。而此次，研究团队成功地将关键控制功能内建于芯片之中，消除了对外部设备的依赖。

早在2006年，Kumar团队就在《光学快报》（Optics Express）上首次展示了通过在硅片中刻蚀微小光路，并注入高强度激光，可自然产生成对的光子（即量子比特）。

此次新研究中，研究人员将这些微环谐振器结构（直径远小于头发丝）集成于芯片内，当激光照射时即可产生光子对。芯片还配备了光电流传感器，实时监测光源变化；一旦温度扰动引起光漂移，传感器便会触发微型加热器进行补偿，使光源恢复至最佳状态。

正是由于这一闭环反馈控制机制，芯片在面对环境变化与制造误差时仍能稳定运行，为未来量子系统的扩展奠定了基础。

“我们的目标是证明，复杂的量子光子系统可以完全在CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片中构建并实现稳定运行，”UC伯克利的Danielius Kramnik表示，“这需要多个传统上不相关的领域密切协同。”

量产可期，迈向实用化量子技术

为了确保芯片能在标准CMOS生产线上制造，研究团队采用了巧妙的协同设计策略，将光子元件直接构建在商用CMOS结构中。

BU的Imbert Wang指出：“我们在CMOS的严格工艺限制下推动了光子器件的适配，实现了电子学与量子光学的统一设计。”

随着量子光子系统向更大规模和更高复杂度发展，此类高度集成的芯片有望成为构建安全通信网络、先进传感器，甚至未来量子计算基础设施的核心构件。

“量子计算、通信与传感正处于从概念走向现实的长期演进之路上，”波士顿大学教授、研究资深作者Milo? Popovi?表示，“这只是其中一步，但意义重大，因为它表明我们可以在商业晶圆厂中重复制造可控的量子系统。”

本研究由美国国家科学基金会、帕卡德科学与工程奖学金基金会及Catalyst基金会资助，芯片制造由Ayar Labs与格罗方德（GlobalFoundries）提供技术支持。