探索宇宙奧秘 · 理性思考

量子計(jì)算機(jī)的算力正在指數(shù)級(jí)膨脹。傳統(tǒng)RSA加密體系面臨被暴力破解的終極威脅。物理學(xué)家們開(kāi)出的解藥是量子通信，它依托量子力學(xué)基本原理提供無(wú)條件安全。這項(xiàng)技術(shù)長(zhǎng)期卡在工程化瓶頸：現(xiàn)有的硅基集成芯片偏振敏感、光學(xué)損耗高，稍微震動(dòng)就性能暴跌。 現(xiàn)在，一塊看似普通的硼硅酸鹽玻璃打破了僵局。意大利帕多瓦大學(xué)聯(lián)合米蘭理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)，在玻璃內(nèi)部雕刻出量子相干接收器，實(shí)現(xiàn)了42.7 Gbit/s的源無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)生成速率，創(chuàng)下該安全模型下的世界紀(jì)錄。這項(xiàng)成果發(fā)表于《Advanced Photonics》。

連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)（CV-QKD）和量子隨機(jī)數(shù)生成（QRNG）是量子通信的兩大支柱。它們需要相干接收器將微弱的量子信號(hào)與強(qiáng)參考光干涉，精確測(cè)量光波振幅和相位。

硅基光子學(xué)長(zhǎng)期主導(dǎo)集成量子光學(xué)。硅材料工藝成熟，晶圓廠可批量生產(chǎn)。但硅有一個(gè)致命弱點(diǎn)：強(qiáng)烈的雙折射效應(yīng)。這意味著光子的偏振態(tài)一旦受光纖擾動(dòng)或溫度變化影響，接收器就會(huì)失效。 此外，硅波導(dǎo)表面粗糙，光學(xué)損耗通常在3-5 dB，嚴(yán)重拖累信噪比。

玻璃則是各向同性材料，天然偏振不敏感。它化學(xué)性質(zhì)惰性，熱穩(wěn)定性極佳。最關(guān)鍵的是，飛秒激光可在玻璃內(nèi)部三維直寫(xiě)波導(dǎo)，避開(kāi)了硅基平面工藝的限制。此次意大利團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的插入損耗僅約1 dB，共模抑制比超過(guò)73 dB，8小時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性遠(yuǎn)超硅基競(jìng)品。 這些硬指標(biāo)解釋了為何玻璃能后來(lái)居上。

制造這塊芯片無(wú)需潔凈室，也無(wú)需光刻膠。研究人員使用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)，將激光聚焦在硼硅酸鹽玻璃內(nèi)部特定深度。極高能量密度瞬間改變局部玻璃折射率，形成直徑約微米級(jí)的光波導(dǎo)。

這種"光之筆"擁有真正的三維自由度。團(tuán)隊(duì)在其中刻下了可調(diào)諧異相干接收器所需的全套元件：固定與可調(diào)分束器、熱光相移器、三維波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)、偏振無(wú)關(guān)定向耦合器。激光頭在玻璃體內(nèi)穿梭，就像在水晶中刺繡。傳統(tǒng)硅基芯片需要多層光刻和刻蝕，而玻璃直寫(xiě)一次成型，原型迭代速度極快。

該接收器能同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)共軛正交分量，這是CV-QKD的核心要求。玻璃平臺(tái)還天然匹配標(biāo)準(zhǔn)電信光纖模場(chǎng)，耦合效率極高，這為接入現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)掃清了障礙。

同一塊玻璃芯片演示了兩項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，數(shù)據(jù)極具說(shuō)服力。

第一項(xiàng)是源無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)生成（SDI-QRNG）。即使輸入光態(tài)被敵方完全控制，系統(tǒng)仍能提取安全隨機(jī)數(shù)。該芯片以42.7 Gbit/s的速率生成安全隨機(jī)比特。對(duì)比之下，此前同安全等級(jí)下的硅基集成方案速率通常在Gbit/s量級(jí)徘徊。 這一躍升意味著量子隨機(jī)數(shù)可真正支撐高速加密需求。

第二項(xiàng)是QPSK調(diào)制CV-QKD協(xié)議。團(tuán)隊(duì)在模擬的9.3公里光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了3.2 Mbit/s的安全密鑰率。這一指標(biāo)與當(dāng)前最先進(jìn)的硅基或鈮酸鋰方案相比毫不遜色，卻擁有后者難以企及的環(huán)境魯棒性。玻璃的熱膨脹系數(shù)與光纖匹配，在野外溫差環(huán)境下表現(xiàn)更穩(wěn)。

中國(guó)科學(xué)家在硅基光量子芯片領(lǐng)域處于第一梯隊(duì)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦團(tuán)隊(duì)、潘建偉團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)高維硅基量子糾纏光源和量子計(jì)算原型驗(yàn)證。2023年，浙江大學(xué)戴道鋅團(tuán)隊(duì)也在硅基片上量子通信器件取得突破。這些積累奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

但在玻璃基集成量子光學(xué)領(lǐng)域，中國(guó)與歐美存在明顯時(shí)差。意大利團(tuán)隊(duì)此次使用的飛秒激光直寫(xiě)玻璃光子芯片技術(shù)，國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)劉旭團(tuán)隊(duì)、之江實(shí)驗(yàn)室雖有布局，主要集中在經(jīng)典光通信和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。專(zhuān)門(mén)針對(duì)量子通信相干接收器的玻璃芯片研究，公開(kāi)報(bào)道中尚未見(jiàn)此性能級(jí)別的突破。

飛秒激光直寫(xiě)并非新技術(shù)，但將其推向量子通信工程化極限，需要光學(xué)設(shè)計(jì)、低溫封裝、高速電控的系統(tǒng)性整合。此次成果提示我們：量子通信的實(shí)用化不應(yīng)押注單一材料。硅基適合大規(guī)模邏輯運(yùn)算，玻璃基更適合前端信號(hào)接收和傳輸。中國(guó)需在保持硅基優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，加快玻璃、鈮酸鋰等多材料體系的量子器件研發(fā)，避免在工程化落地階段被材料多樣性卡脖子。

從實(shí)驗(yàn)室的精密光學(xué)平臺(tái)到可部署的量子網(wǎng)絡(luò)，中間隔著材料科學(xué)的鴻溝。這塊玻璃芯片證明，有時(shí)候最傳統(tǒng)的材料，配上最精準(zhǔn)的激光，反而能走出最實(shí)用的路徑。

Andrea Peri et al, "High-performance heterodyne receiver for quantum information processing in a laser-written integrated photonic platform," Advanced Photonics (2026). DOI: 10.1117/1.ap.8.1.016009