可大规模生产的光子芯片有望开启量子级扩展时代

科罗拉多大学博尔德分校的工程师们刚刚攻克了量子计算普及应用的关键一步——可扩展性。制造量子设备所需的极高精度一直难以大规模复制，这意味着其成本仍然超出大多数人的承受范围。

值得庆幸的是，这种情况有望在未来几年内改变，因为这项最新进展利用传统的CMOS制造工艺，能够制造出比目前市面上任何产品都更小巧、更经济实惠的稳定量子芯片。以下是您需要了解的内容。

量子计算与经典计算：光子差异

与传统计算机不同，量子计算机不使用比特和传统芯片。相反，它们依靠量子叠加和量子比特来进行计算。构建量子计算机最常用的方法之一是利用光子调制器。

这些装置使量子计算机能够利用囚禁的离子或中性原子作为量子比特。这些芯片允许工程师用可调谐激光照射量子比特，量子比特通过频率调制来传递计算操作指令。

可扩展性瓶颈：大规模生产为何失败

目前量子计算机的制造方法存在诸多问题。最主要的是，它们无法进行大规模生产。这些芯片极其灵敏且精度极高，因此在大多数情况下都需要在实验室中逐个组装。目前的组装方法主要依赖于工程师手工完成大部分设备的组装工作。

此外，这些设备集成了高功率激光束，可为多个量子比特提供精确的调谐能力。因此，它们必须具备可靠性和耐热性，尤其考虑到未来的量子计算机可能会使用数千个量子比特。

外形尺寸限制

目前的量子芯片体积过大，无法应用于大多数应用场景。它们需要低温冷却、长光路和间距较大的量子比特设计。这种设计虽然有助于降低噪声，但与传统计算机芯片相比，体积却极其庞大。

此外，未来几代量子计算机将使用更多量子比特，这意味着如今最先进的量子计算机与十年左右后即将公开提供的量子计算机相比，仍然只是沧海一粟。因此，这些设备需要缩小到合理的尺寸，才能实现大规模应用。

热会破坏量子态

用于与量子比特通信的所有激光能量都会产生大量热量，这是另一个问题。无论计算机的架构如何，热量始终是其面临的难题。然而，量子计算机依赖于维持脆弱的量子态来进行计算。这就是为什么它们需要低温冷却的原因。因此，热量会导致这些设备无法正常工作。

突破：CMOS兼容光子电路

研究 ”在CMOS制造的光子电路中实现可见光的吉赫兹频率声光相位调制，已发布¹ 在《自然通讯》杂志上，介绍了一种全新的光学量子芯片制造方法。

许多人认为这项新工艺是迈向光子计算机革命的第一步。该设备比头发丝还要细100倍，它集成了模块化技术，从而创造了全新的效率和稳定性水平。

这款专用的吉赫兹频率声光相位调制器结合了压电换能器和光子波导，在保持波长尺度结构的同时，最大限度地缩小了外形尺寸。

光相位调制器

升级后的光学相位调制器可利用微波频率控制激光。微波激发光子，使其每秒振动数十亿次，从而实现精确调谐，并提高稳定性和效率。具体而言，该声光调制器集成了一个安装在压电换能器上的光子波导。

CMOS制造技术实现大规模生产

为了满足严格的尺寸要求，工程师们决定在200毫米晶圆上制造该器件，然后将其切割成120个独立的芯片。该工艺采用压电光机械氮化铝-SiNx平台，使工程师能够利用相位调制技术，在730纳米激光输入下产生吉赫兹频率的边带。

更令人印象深刻的是，他们依靠标准的芯片制造技术来制造这些设备，这意味着它们将来可以大规模生产，从而为更多人使用量子计算打开大门。

在讨论他们的方法时，工程师们谈到 CMOS 制造是可扩展技术的巅峰之作，而将其作为制造量子芯片的手段对于进一步推广应用至关重要。

具体来说，工程师们探讨了这项技术如何使许多你喜爱的高科技设备成为可能，包括智能手机、笔记本电脑以及其他你日常依赖的设备。他们解释了这项技术如何推动了自身的发展，以及它将如何促进未来量子驱动设备的普及。

资源 - 自然通讯

双模操作：光学和机电

值得注意的是，光相位调制器可以以两种不同的模式运行。第一种是传播光模式，它能够传播并引导电路中的光子波导。这种策略支持纠缠分布、路由和相干性，因此对大多数应用至关重要。

第二种模式是电激发呼吸模式机械共振，它利用施加于纳米结构的微波产生压电效应。这些微波会改变光子振荡频率和光场。值得注意的是，这种模式支持高光功率，使其成为高级量子计算的理想选择。

性能基准：稳定性与效率

工程师们使用射频频谱分析仪对芯片的输出进行了多项测试。为了完成这项任务，研究团队将芯片安装在一个带有激光光源的机械臂上，该激光光源与光纤干涉仪相连。

该装置的另一端连接到声光频移器（AOFS）。工程师们让光线分别通过装置的两端，然后使用50/50定向耦合器将光线重新组合。这样就能将光子定向到频谱分析仪，从而提高精度。

这款新型芯片的光功率额定值为 730nm，超过了工程师设定的 500mW 目标。此外，研究团队还优化了器件的几何结构，进一步增强了光机相互作用。测试表明，仅使用 80mW、频率为 2.31GHz 的微波，即可实现 4.85rad 的调制深度。

令人印象深刻的是，该装置实现了迄今为止所有芯片中最低的频率损耗。具体而言，工程师指出，与目前使用的量子芯片相比，这款新型芯片的稳定性提高了15倍，微波功率需求效率提高了100倍。

CMOS制造工艺的主要优势

大规模生产光子芯片将为市场带来诸多益处。首先，它们可以大规模制造，使这项技术从专属领域走向大众化，成为一种普及的计算选择。这种制造方法成本更低，能够帮助工程师打造集成数千个量子比特的相对小型量子计算机。

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这种制造方法首次能够制造出完全相同的、高科技的复杂设备。这意味着工程师们将能够利用现有方法，制造并向大众推广他们未来的量子计算机设计。

小尺寸

这种布局最大的优势之一是其小巧的尺寸。这些芯片比人类头发丝还要小100倍，却能够支持功能强大的量子计算机设计。这些芯片将集成数千个量子比特，例如IBM的量子计算机。 (IBM +2.06% )Condor 芯片可处理 1,121 个量子比特，但由于采用了更大的层压板，其外形尺寸要大得多。

高性能

令人印象深刻的是，这些芯片的计算能力可与当今最先进的计算机相媲美。它们能够支持超过 500mW 的光功率，这已是目前高端量子计算的最高功率水平。此外，这种新型芯片设计在功耗大幅降低的同时，还能支持更高的光功率和精度。

更高效

与以往的技术相比，这种方法中使用的相位调制所需的微波功率要低得多。具体来说，工程师们指出，他们的设备只需消耗八十分之一的能量即可完成量子操作。因此，它产生的热量也少得多，从而可以与更多芯片耦合，制造出功能更强大的设备。

实际应用：传感与网络

这项技术有多种应用。最显而易见的用途是支持未来的量子计算机设计。这些高性能芯片尺寸足够小，可以紧密封装，而且能效足够高，在这种配置下不会产生过热问题。

量子传感

量子传感器相比传统传感器具有更高的精度。它们利用叠加、纠缠和压缩等量子力学原理来实现这一目标。这些原理使得传感器能够精确测量磁场、重力、时间、温度等参数的变化。这些芯片有望降低传感器的成本。

量子网络

量子网络是另一项关键应用。这项技术利用量子纠缠实现高速数据传输。具体来说，它利用量子贝尔对和量子隐形传态在不进行克隆的情况下传输量子态。这项技术的目标是未来构建量子互联网的基础设施。

商业化之路：7-10年路线图

这项技术距离公信力普及大约还需要7到10年的时间。至关重要的是，这种制造技术将成为推动量子技术普及的关键因素，但首先它必须臻于完善。然而，一旦与合适的制造商合作，低成本策略将有助于进一步的整合和应用。

研究团队与资金

科罗拉多大学博尔德分校主持了这项光子芯片研究，桑迪亚国家实验室也参与其中。具体而言，Nils T. Otterstrom、Matt Eichenfield、Jacob M. Freedman、Matthew J. Storey、Daniel Dominguez、Andrew Leenheer 和 Sebastian Magri 为这项工作做出了贡献。

该研究获得了美国能源部通过量子系统加速器计划提供的资金和物资支持，该计划由国家量子计划科学研究中心主办。

未来研究目标

现在，该团队将致力于研发性能超越以往的集成光子电路。他们希望通过改进芯片的频率生成和滤波能力，以及脉冲整形技术，进一步提升器件性能。

此外，工程师们还将寻找战略合作伙伴，以帮助他们将制造方法投入实际应用。这一步骤意味着要联系领先的CMOS制造厂，并争取租用其部分厂房来生产这种新型芯片。

值得关注的量子计算领域顶级股票

量子计算领域持续扩张，竞争也日益激烈。如今，领先的量子计算机设计师、芯片制造商和程序员不断推动这项技术迈向新的高度，为计算能力的创新开辟了道路。以下这家公司始终处于这场变革的前沿。

IonQ (IONQ)：捕获离子系统的领导者

IonQ (IONQ +5.43% ) 该公司成立于2015年，旨在推动量子技术的发展。公司由两位量子计算专家克里斯托弗·门罗和金正相博士创立。值得一提的是，门罗在量子研究领域发挥了关键作用，被誉为业界先驱。

IonQ公司在技术创新方面做出了卓越贡献，包括研发出首个运行Deutsch-Jozsa算法的5个镱离子芯片，并推出了首个商用离子阱QCaaS（质量控制即服务）产品。这些成就助力公司成功获得636亿美元的融资。

目前，该公司提供多款高端量子产品，包括其Aria 32量子比特机架式系统。此外，该公司还与AWS、Azure、Google Cloud以及其他领先的云服务提供商建立了战略合作伙伴关系。

对于那些正在寻找信誉良好、经验丰富的量子计算服务提供商的人来说，不妨对 IonQ 公司进行更深入的研究。该公司目前的市值为 16.3 亿美元。值得注意的是，其股价近期波动较大，最高价为 84.64 美元，最低价为 17.88 美元。

IonQ (IONQ) 最新股票新闻及表现

结语

成功开发出大规模生产光子芯片的方法至关重要，其重要性不容低估。这项技术是量子计算发展的核心，必须在向公众开放应用之前得到完善。这项最新进展必将降低量子器件的制造成本，从而在未来为市场提供稳定的芯片供应。

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案例

^{1. Freedman, JM, Storey, MJ, Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, NT, & Eichenfield, M. (2025). CMOS制造的光子电路中可见光的千兆赫兹频率声光相位调制。自然通讯，16(1), 10959。 https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}