集成量子光子學(xué)的前景

  今天的數(shù)字社會(huì)在很大程度上依賴于數(shù)據(jù)的安全傳輸和存儲(chǔ)。最古老和最廣泛使用的數(shù)據(jù)加密方法之一被稱為RSA(Rivest-Shamir-Adleman，該算法設(shè)計(jì)者的姓氏)。然而，1994年數(shù)學(xué)家彼得-肖爾證明，理想的量子計(jì)算機(jī)可以比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快指數(shù)級(jí)的速度，找到大數(shù)的質(zhì)因數(shù)，從而在幾小時(shí)或幾天內(nèi)破解RSA加密。

  雖然實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)可能還需要幾十年的時(shí)間后，才足夠?qū)崿F(xiàn)肖爾的算法，以破解RSA或類似的加密方法，但其潛在的影響對(duì)我們的數(shù)字社會(huì)和我們的數(shù)據(jù)安全是非常可怕的。

  鑒于這些風(fēng)險(xiǎn)，可以說保護(hù)數(shù)據(jù)和通信的最安全方式是以量子對(duì)抗量子：通過利用量子物理原理的安全協(xié)議，保護(hù)你的數(shù)據(jù)免受量子計(jì)算機(jī)的黑客攻擊。這就是量子密鑰分配(QKD)的作用。

  圖1：通過QKD加密的通信鏈路實(shí)例，資料來源：TU Eindhoven。

  QKD系統(tǒng)使用的量子比特(qubits)可以是光子、電子、原子或任何其他能以量子狀態(tài)存在的系統(tǒng)。然而，使用光子作為量子比特將可能主導(dǎo)量子通信和QKD的應(yīng)用空間。我們有幾十年操縱光子屬性的經(jīng)驗(yàn)(如偏振和相位)，可用來編碼量子比特。由于光纖的存在，我們也知道如何以相對(duì)較小的損耗將光子傳送到很遠(yuǎn)的距離。此外，光纖已經(jīng)是現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本組成部分，所以未來的量子網(wǎng)絡(luò)可以在現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行。所有這些跡象都指向量子光子學(xué)的一個(gè)新時(shí)代。

  光子QKD設(shè)備以某種形式出現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)超過15年了。但是，諸如成本高、體積大、無法在更遠(yuǎn)的距離上操作等因素，還是阻礙了它們的廣泛采用。許多有關(guān)量子光子學(xué)的研發(fā)工作旨在解決尺寸、重量和功率(SWaP)的限制?？朔@些限制并降低每個(gè)設(shè)備成本的方法之一是將每一個(gè)QKD功能(生成、操縱和檢測(cè)光子量子比特)整合到一個(gè)芯片中。

  整合是將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)引入市場(chǎng)的關(guān)鍵

  將量子產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室原型變成可以在市場(chǎng)上銷售的完全實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

  將量子產(chǎn)品推向市場(chǎng)的最大挑戰(zhàn)之一是將技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室原型擴(kuò)大到大規(guī)模生產(chǎn)。這需要開發(fā)可靠的制造工藝和供應(yīng)鏈，以便大規(guī)模地生產(chǎn)高質(zhì)量的量子產(chǎn)品。量子產(chǎn)品必須具有高度的性能和可靠性，以滿足商業(yè)應(yīng)用的需求。這需要廣泛的測(cè)試和優(yōu)化，以確保產(chǎn)品達(dá)到或超過預(yù)期的規(guī)格。

  此外，量子產(chǎn)品必須符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，以確保安全、互操作性以及與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性。這需要與監(jiān)管機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織密切合作，制定適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則。

  光子集成是一個(gè)使量子技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的過程。通過利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造體系，量子技術(shù)可以更容易地?cái)U(kuò)大其生產(chǎn)量。

  更小的尺寸和更高的效率

  集成光子學(xué)最顯著的優(yōu)勢(shì)之一是它能夠使光學(xué)元件和系統(tǒng)小型化，使它們比傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)備更小、更輕、更便攜。這是通過利用微米和納米級(jí)的制造技術(shù)在芯片上創(chuàng)建光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)的，然后可以與其他電子和光學(xué)元件集成，創(chuàng)建一個(gè)功能齊全的器件。

  光學(xué)元件和系統(tǒng)的小型化對(duì)于實(shí)用量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，因?yàn)樗枰o湊和便攜的器件，以便很容易地集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。例如，緊湊型和便攜式量子傳感器可用于醫(yī)療成像、地質(zhì)勘探和工業(yè)過程監(jiān)測(cè)。小型化的量子通信設(shè)備可用于保障通信網(wǎng)絡(luò)的安全，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的安全通信。

  集成光子學(xué)還允許創(chuàng)建復(fù)雜的光電路，可以很容易地與其他電子元件集成，以創(chuàng)建完全集成的光電子量子系統(tǒng)。這對(duì)開發(fā)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)至關(guān)重要，因?yàn)樗枰獙⒋罅康牧孔颖忍?量子位)與控制和讀出電子的元件整合在一起。

  規(guī)模經(jīng)濟(jì)

  晶圓規(guī)模的光子學(xué)制造需要較高的前期投資，但由此形成的大批量生產(chǎn)線使每個(gè)器件的成本下降。這種規(guī)模經(jīng)濟(jì)原則與電子制造業(yè)背后的原則相同，同樣必須適用于光子學(xué)。我們能在單個(gè)芯片中集成的光學(xué)元件越多，每個(gè)器件的價(jià)格就越能降低。單個(gè)晶圓中能集成的光學(xué)系統(tǒng)芯片(SoC)器件越多，每個(gè)SoC的價(jià)格就越能降低。

  埃因霍溫技術(shù)大學(xué)和JePPIX聯(lián)盟的研究人員已經(jīng)做了一些模型，以顯示這種規(guī)模經(jīng)濟(jì)原則將如何適用于光子學(xué)。如果生產(chǎn)量能從每年幾千個(gè)芯片增加到幾百萬個(gè)，那么每個(gè)光芯片的價(jià)格就能從幾千歐元降到幾十歐元。這必須是量子光子學(xué)產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)。

圖2：光子集成芯片(PIC)的成本模型是每年生產(chǎn)的PIC總數(shù)的函數(shù)。產(chǎn)量的指數(shù)式增長(zhǎng)導(dǎo)致成本的指數(shù)式下降。資料來源：模型和圖表由埃因霍溫大學(xué)的Meint Smit教授提供。

  通過在單個(gè)芯片上集成所有的光學(xué)元件，我們還將復(fù)雜性從組裝過程轉(zhuǎn)移到更高效和可擴(kuò)展的半導(dǎo)體晶圓工藝上。通過互連多個(gè)光子芯片來組裝和封裝一個(gè)器件會(huì)增加組裝的復(fù)雜性和成本。另一方面，在晶圓上大批量地組合和排列光學(xué)元件要容易得多，這就降低了器件的成本。

  啟示

  總的來說，將量子產(chǎn)品推向市場(chǎng)需要一個(gè)多學(xué)科的方法，包括科學(xué)家、工程師、設(shè)計(jì)師、商業(yè)專業(yè)人士和監(jiān)管機(jī)構(gòu)之間的合作，以開發(fā)和商業(yè)化一個(gè)高質(zhì)量的產(chǎn)品，滿足其目標(biāo)客戶的需求。集成光子學(xué)在小型化和擴(kuò)展?jié)摿Ψ矫婢哂酗@著優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于將量子技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向市場(chǎng)至關(guān)重要。