飞秒级激光直写量子信息芯片

金贤敏

上海交通大学物理与天文系

特别研究员

1 概要描述与关键技术

1.1 飞秒激光直写量子信息芯片技术

未来通过飞秒激光直写技术，可以定制化地将各种量子线路直接“打印”在空白的二氧化硅（silica）玻璃基片上（见图1）。基本原理是激光在飞秒量级的时间里完成与物质的超快相互作用，实现材料内微米量级区域的改性，主要变现为折射率变化。不同于硅基等传统平面光波导工艺，飞秒激光焦点在材料可三维扫面，突破二维光波导限制。具体实现路径是要针对量子信息技术的特殊需求，发展低损耗、高精度、真三维、高稳定性和可调控等量子信息芯片的核心技术和工艺，研发能符合量子态产生、操控和探测要求的量子信息芯片，最终实现全功能的量子信息芯片（见图2）。

图1 飞秒激光直写技术打印量子线路

图2 量子信息芯片

1.2 飞秒激光直写量子信息芯片的颠覆性表现

（1）可以解决目前宏观量子器件的体积和成本限制问题，在很小的芯片上就可以实现非常复杂的量子线路。

（2）量子信息芯片具有高稳定性的特点，使得构建大规模控制量子信息系统成为可能。

（3）飞秒激光直写技术独有的3D加工能力，使得在3D空间上利用对等的光子晶格研究诸如高温超导等凝聚态问题成为可能，为此打开一个基于光子晶格量子模拟的新领域。

正如印刷术的发明推动科学技术的进步，这种飞秒激光直写量子信息芯片技术将作为重要物理载体广泛应用于量子信息技术的各个领域，包括量子通信、量子计算、量子模拟和量子精密测量，推动其走向芯片化、集成化和实用化。

2 应用意义与前景

以光子为信息载体的量子信息技术是量子物理学，计算机和光电子学等交叉发展起来的新一代信息技术。量子信息技术可以实现无条件安全的量子保密通信，计算能力随计算位呈指数增加的超高速量子计算，超越标准量子极限的超精密量子成像和传感等革命性的技术飞跃（见图3）。然而，量子信息技术正面临宏观光学器件的尺寸和集成度的瓶颈性限制，看似技术上的限制其实根本性地使得量子信息技术仍然只是停留在小尺度的实验室演示阶段。在科学上，构建大规模的量子系统将使得人类能够探索全新的量子世界和领域；在技术上，芯片化的量子器件和系统是推动量子信息技术实用化的必然，进而依托量子信息技术推动信息技术变革。

图3 芯片化集成化量子信息技术

作为5～10年的应用的一个范例是星载量子通信终端芯片。目前我国正在开展的“量子科学卫星”仍然是采用传统的宏观光学构建，接收终端重量达百公斤量级，且在太空复杂环境下有发生变化的风险。星载量子通信终端芯片有望不仅将重量减小几十倍以上，而且在芯片内部光子线路包括光子相位都是非常稳定的，可大幅降低未来量子卫星的成本且带来高的稳定性和可靠性。

飞秒激光直写量子信息芯片技术作为智能制造、微纳加工和量子信息交叉发展起来的新兴技术，将推动量子信息的发展快速进入全面实用化阶段，推动一场新的量子信息技术的革命。