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《北京大学与香港城市大学成功构建“全频兼容”的可重构超宽带芯片》

  • 来源专题：集成电路与量子信息
  • 发布时间：2025-08-29

  • 北京大学与香港城市大学团队合作，通过创新光电融合架构，研发出可重构、超宽带光电融合芯片，实现了从“频段受限”到“全频兼容”的突破。该芯片在所有频段均支持50~100Gbps无线传输，传输速率比目前5G水平高出2~3个数量级，为6G通信提供了核心硬件解决方案，显著提升了动态频谱管理能力，有望实现全球高速可靠通信。

    芯片的核心架构是团队研发的“基于光学微环谐振器的集成光电振荡器”。这一架构能直接在任意目标频点生成高质量的电磁信号，即便在100吉赫兹以上的高频段，其噪声性能仍与传统低频段持平，从原理上彻底解决了传统倍频“噪声越积越多”的行业痛点，让全频段通信的“带宽、噪声、灵活性”三者不再相互制约。

    相关成果发表于《自然》。

  • 原文来源：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2025/8/550423.shtm
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    • 编译者：王靖娴
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    • 【内容概述】据中国科学报8月28日报道，北京大学电子学院教授王兴军团队与香港城市大学教授王骋团队通过创新光电融合架构，成功实现芯片从“频段受限”到“全频兼容”的颠覆性突破，并在所有频段都实现了50~100Gbps的无线传输，比目前5G的传输速率高出2~3个数量级。这意味着，使用者无论在偏远的农村地区还是城市中心，都能够实现高速可靠、无时不在的通信连接。这款可重构、超宽带光电融合芯片，为实现全频段无线通信与动态频谱管理提供了核心解决方案，是6G时代硬件基座能力提升的重要里程碑，为后续技术研发与产业应用提供了全新解决方案。   团队的创新突破在于给芯片“装上光的翅膀”——以先进薄膜铌酸锂材料为平台，让电信号“变身”为光信号进行处理，借光子学的超大带宽特性突破频率限制。研究团队在仅指甲盖大小的芯片上，集成了基带调制、载波生成、上下变频等无线收发系统的全部关键功能单元，一举实现超百吉赫兹、近8个倍频程的带宽处理能力。   芯片的核心架构是团队研发的“基于光学微环谐振器的集成光电振荡器”。这一架构能直接在任意目标频点生成高质量的电磁信号，即便在100吉赫兹以上的高频段，其噪声性能仍与传统低频段持平，从原理上彻底解决了传统倍频“噪声越积越多”的行业痛点，让全频段通信的“带宽、噪声、灵活性”三者不再相互制约。实验数据印证了突破的价值。该系统可实现超100Gbps的超高速无线传输，完全满足6G峰值速率需求。更关键的是，通信链路在全覆盖频段内展示的性能高度一致，在高频段未出现任何性能衰减。
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  • 《北京大学与山西大学研究团队合作，在连续变量光量子芯片领域取得重大突破》
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    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2025-02-23
    • 2025年2月20日，北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授和龚旗煌教授课题组与山西大学苏晓龙教授课题组合作，在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上发表一项以“基于集成光量子频率梳芯片的连续变量多体量子纠缠”（Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb）为题的突破性研究成果。该团队在国际上首次实现了基于集成光量子芯片的连续变量簇态量子纠缠，为光量子芯片的大规模扩展及其在量子计算、量子网络和量子信息等领域的应用奠定了重要基础。研究团队通过创新性地发展超低损耗的连续变量光量子芯片调控技术和多色相干泵浦与探测技术，成功在氮化硅集成频率梳微环腔的真空压缩频率超模上确定性地制备出多比特纠缠簇态，并实现不同簇态纠缠结构的可重构调控。同时，团队利用van Loock-Furusawa判据实验违背和完备的nullifier（零化子）关联矩阵测量，对连续变量簇态的纠缠结构进行了严格实验判定。这一研究成果不仅解决了以往集成光量子芯片面临的扩展性难题，还为未来实现更大尺度的量子纠缠与量子调控提供了新的技术路径。该成果标志着集成光量子芯片技术在量子信息处理领域的重要突破，为量子计算和量子网络的实用化发展提供了关键技术支撑。 量子信息的基本单元是量子比特（qubit）或量子模式（qumode），二者可统称为量子比特。它们可分别通过离散变量和连续变量编码在光量子体系中实现，各具优缺点。例如，基于单光子的离散变量体系能够实现超高保真度的量子比特操作，但其面临的主要挑战是制备量子比特和量子纠缠存在概率性。根据现有技术手段，离散变量量子纠缠的制备成功率随比特数增加呈指数下降，这限制了其可扩展性。相比之下，基于光场正交分量编码的连续变量体系能够确定性产生量子比特和量子纠缠，尽管其操控保真度略低，却为大尺度光量子纠缠态的制备提供了一条极具前景的技术路径。 集成光量子芯片是一种能够在微纳尺度上编码、处理、传输和存储光量子信息的先进平台。自2008年国际上实现首个离散变量集成光量子芯片以来，集成光子芯片材料和技术取得了显著进展，并在离散变量光量子信息领域发挥了重要作用。然而，连续变量集成光量子芯片的发展面临诸多挑战：一方面，集成光学参量放大过程要求芯片具备高光学非线性和低光学损耗等高性能；另一方面，对片上多模压缩光场与纠缠的机理理解不足，多模纠缠调控与验证也存在技术瓶颈。这些因素导致连续变量光量子芯片的研究长期处于起步阶段，其编码与纠缠的比特数仅限于单模或双模压缩态，而多模（多比特）量子纠缠态的片上制备与验证仍极具挑战性。 纠缠簇态作为一种典型的多比特量子纠缠态，在量子信息科学中具有极其重要的地位。簇态不仅是单向量子计算的核心资源，还在量子纠错和容错量子计算中发挥关键作用，同时为量子网络的构建提供了重要支持，并可用于模拟复杂的多体量子系统。尽管簇态纠缠的重要性已被广泛认可，但其大规模制备技术仍面临诸多挑战。此前，光量子芯片上的簇态纠缠研究主要集中在离散变量体系，确定性地制备大规模纠缠簇态面临巨大实验困难，而连续变量簇态的片上制备和验证技术在国际上仍属空白。 在本研究中，研究团队首次在国际上实现了基于集成光量子芯片的连续变量纠缠簇态的确定性制备、可重构调控与严格实验验证。这一突破性成果不仅填补了连续变量光量子芯片领域的关键技术空白，还为大规模量子纠缠态的制备与操控提供了全新的技术路径，对推动量子计算、量子网络和量子模拟等领域的实用化发展具有非常重要的意义。 值得一提的是，当前纠缠模式数目的限制主要来自集成微腔的尺度（即频率间隔）和多色泵浦光的数目。团队已成功解决了基础的科学问题，为未来实现更大规模簇态纠缠及其在量子信息处理中的应用奠定了重要的物理基础。面向大规模扩展主要依赖于工程技术的优化，例如，通过先进芯片加工技术制备更大尺度的微腔，以及利用相位锁定的光学频率梳进行激发等工程手段，可以显著提升纠缠态的规模和复杂度。 论文原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-025-08602-1
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