突破性量子芯片问世：电子与光子首次集成，开启量子技术规模化应用新篇章

                                                      文丨浪味仙  排版丨浪味仙

                                                行业动向：3000字丨8分钟阅读

内容提要

在量子技术迈向规模化应用的征程中，研究人员迎来了重要突破。

近日，波士顿大学、加州大学伯克利分校以及西北大学的科学家在《Nature Electronics》上发表论文，报告实现了全球首个集成电子、光子与量子模块的单芯片系统。

01

突破性集成：

量子光子与经典电子的融合

近日，一项由西北大学、波士顿大学和加州大学伯克利分校科学家们共同完成的突破性研究，首次成功将微型光子量子系统集成到传统的电子芯片中，研究成果已发表在《自然电子学》（Nature Electronics）期刊上。

这款首创的硅芯片首次将量子发光元件（光子器件）与经典电子控制电路集成于一体，所有功能模块都封装在仅一平方毫米的区域内。不仅如此，芯片还能自行产生量子光，并通过内置的智能电子系统实时保持光源的高度稳定。

这项电子-光子集成技术意义非凡，它使得单个芯片能够可靠地产生持续的光子对流。“我们首次实现了电子、光子与量子系统的单芯片集成。”本研究资深作者之一、西北大学的 Prem Kumar 表示：“这是一项重大突破，因为电子与光子本就难以协同。这项成就源于一个跨学科合作团队的努力，涵盖了物理、电气工程、计算机科学、材料科学和制造领域的专家。我们研发的芯片不仅适用于量子计算，还可广泛应用于传感和通信。”

 实验过程中，研究人员将封装好的芯片电路板放置在探针台的显微镜下进行观察。图片来源：波士顿大学

“量子实验通常需要庞大笨重的设备，并对环境要求极高。”来自西北大学、负责量子测量工作的 Anirudh Ramesh 表示：“我们将这些电子元件缩小并集成到一枚芯片上，实现了对量子过程的实时稳定控制，这是朝着可扩展量子光子系统迈出的关键一步。”

目前，Ramesh 正在美国量子计算公司 PsiQuantum 任职，担任量子系统验证工程师。

02

自我稳定机制：

克服量子挑战的关键

硅芯片因其可采用制造传统电子设备晶体管的高产能工业工艺制造，成为构建基于光的量子系统的理想平台，但要使这些微型量子光学器件稳定运行，目前的商业晶圆代工仍缺乏必要的支持能力，因为哪怕是轻微的温度波动、微小的制造误差，甚至是器件本身产生的热量，都会破坏整个量子系统。

过去，研究人员只能借助大型外部设备来稳定这些量子光器件，这也成为微型化系统的一大障碍。而此次，研究团队使用了一种能够在硅中产生量子光的技术，这一技术源于西北大学 Prem Kumar 教授在 2006 年发表于《光学快报》杂志的一项研究：他们首次证明，将一束集中的光束照射到硅中蚀刻的微小、设计恰当的通道中，可以自然地产生光子对，而这些光子对是固有纠缠的，因此可以作为量子比特。

正如电子芯片依赖电流、光通信依赖激光驱动，未来的量子技术也将依赖稳定、可控的量子光资源单元来执行其核心功能。为满足这一需求，研究团队在硅芯片上构建出一组“量子光工厂”阵列，每个单元尺寸不到 1×1 毫米。要在芯片上生成量子光态，必须依赖精密构造的光子器件，特别是微环谐振器，这也是最近被英伟达 CEO 黄仁勋点名为未来 AI 计算硬件通过光互连实现扩展的关键元件。

为了生成连续稳定的量子光（以成对相关光子形式输出），谐振器必须与注入的激光光源保持精准同步：激光既为每个“量子光工厂”提供能量，也是生成过程的驱动源。但这些微环谐振器对温度变化和制造误差极为敏感，稍有偏差便可能导致失谐，从而干扰稳定光子的输出。

为此，团队开发了一种片上主动稳定机制，用于实时调节与锁定硅基微环谐振器的工作状态，从而维持其输出光子对的稳定性。每块芯片包含 12 个并行运行的光子对发生器，每一个谐振器在温度波动和邻近器件干扰下，都需持续与其注入激光保持同步，确保整套系统的协同运行。

                           电子–光子量子系统芯片
突破来源：Nature Electronics（2025）

微环谐振器作为量子光源的基础模块，其高度敏感特性可谓双刃剑：正是这种灵敏度使其能够在极小的芯片面积上高效产生量子光流，但同样也意味着系统对温度变化极其敏感，极易影响光子对的生成稳定性。

波士顿大学牵头的研究团队通过在微环谐振器中集成光电二极管实现突破，既能监控激光输入与谐振器的对准情况，又不会干扰量子光的生成。同时，芯片内集成的加热器与控制逻辑可根据系统漂移情况自动调整谐振频率，保持整个系统的稳定工作状态。

03

量产潜力：

商业代工厂的认可

为了确保他们复杂的量子芯片能够使用标准 CMOS 工艺进行制造，研究团队采用了一种巧妙的设计策略：将光子组件直接集成进商用 CMOS 工厂已有的芯片制造结构中。

“相比我们之前的工作，这次最大的挑战在于，在严格遵守商业 CMOS 平台规范的前提下，完成一套满足量子光学苛刻要求的光子设计。”波士顿大学博士生、光子器件负责人 Imbert Wang 表示：“这一点实现了电子控制与量子光学的真正协同设计。”

借助内建的反馈控制机制，该芯片即使面临温度变化与工艺差异，依然能够稳定输出，具备良好的可扩展性。

                                  芯片的特写图像

“我们的目标是证明，复杂的量子光子系统完全可以在一枚 CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片中构建并实现稳定运行。”Kramnik 表示：“这背后需要多个通常并不交叉的领域之间进行高度协同配合。”

随着量子光子系统规模和复杂度的持续提升，这类高度集成的量子芯片有望成为诸多前沿科技的基础构件，例如安全通信网络、先进传感系统，以及未来的量子计算基础设施。

“量子计算、通信和传感面对的是一条从理论迈向现实的漫长发展道路。”资深研究作者 Popović 教授指出：“这虽是微小的一步，却意义重大，它表明我们完全可以在商用半导体工厂中构建出可重复、可控的量子系统。”

据了解，该研究由国家科学基金会、帕卡德科学与工程奖学金以及 Catalyst 基金会资助，芯片制造支持来自 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