近日，波士顿大学、加州大学伯克利分校与西北大学组成的研究团队首次实现了世界首个电子–光子–量子系统级芯片，为可扩展量子技术树立了里程碑。该芯片利用标准45纳米半导体工艺，将量子光源与稳控电子线路集成在一起，能够持续、可靠地产生关联光子对（成对的光粒子）——这是未来量子技术不可或缺的关键资源。这一突破为实现可大规模量产的“量子光源工厂”芯片奠定了基础，也为由大量此类芯片协同构建的大型量子系统铺平了道路。
“量子计算、通信和传感从概念走向现实，是一条长达数十年的道路。”团队成员、波士顿大学电气与计算机工程副教授Milo? Popovi?表示，“我们的工作只是这条路上的小小一步，却至关重要——它证明我们能够在商业半导体代工厂中构建可重复、可控的量子系统。”
“要把量子系统从实验室推向可扩展平台，正需要这种跨学科的协作。”西北大学电气与计算机工程教授、量子光学先驱Prem Kumar表示，“如果没有电子学、光子学和量子测量三大领域的通力合作，我们不可能完成这项工作。”
正如传统芯片靠电流驱动、光通信链路靠激光供能，未来的量子技术也需要源源不断的“量子光”资源单元才能运行。为此，研究人员在硅芯片上构建了一个由众多“量子光源工厂”组成的阵列，每个工厂的尺寸不到1毫米×1毫米。
要在芯片上产生光的量子态，必须对光子器件进行精密设计——具体来说，就是微环谐振器。为了以“成对关联光子”的形式持续输出量子光，这些谐振器必须与输入激光保持同步调谐：激光既为芯片上每一个“量子光源工厂”供能，也是产生光子的“燃料”。然而，这类器件对温度和制造公差极度敏感，稍有偏差就会失步，从而打断量子光的稳定产生。
为解决这一难题，团队构建了一套片上集成系统，能够主动稳定量子光源——也就是产生关联光子流的硅基微环谐振器。每片芯片并行集成12个这样的光源，每个谐振器都必须与输入激光保持同步，即便在温度漂移以及来自邻近器件（包括同芯片上其余11个光子对源）的干扰下，也能持续稳定地输出量子光。
“最让我兴奋的是，我们把控制回路直接嵌入芯片——实时稳定一个量子过程。”主导量子测量的西北大学博士生Anirudh Ramesh表示，“这朝着可扩展量子系统迈出了关键一步。”
作为量子光源的核心单元，微环谐振器的高灵敏度是一把双刃剑：正是凭借这种灵敏度，它们才能在极小的芯片面积内高效产生量子光流；然而，哪怕是微小的温度漂移，也会破坏光子对的产生过程。波士顿大学牵头的团队通过在谐振器内部集成光电二极管解决了这一难题：这些光电二极管实时监测与输入激光的对准状态，同时不干扰量子光的产生。芯片上的微型加热器与控制逻辑会根据监测结果持续调整谐振频率，随时补偿漂移。
“相比我们之前的工作，这次最大的挑战是把光子设计推向满足量子光学严苛要求的同时，仍严格遵循商用CMOS平台的限制。”负责光子器件设计的波士顿大学博士生Imbert Wang表示，“这使我们能够把电子学和量子光学作为一个整体系统进行协同设计。”
由于芯片内置反馈回路，可实时稳定每一个量子光源，即使温度波动或工艺偏差也能保持可预测输出——这是量子系统规模化不可或缺的前提。该芯片采用了成熟的45纳米商用CMOS工艺平台，最初由波士顿大学、加州大学伯克利分校、格芯（GlobalFoundries）以及硅谷初创公司Ayar Labs紧密合作开发；Ayar Labs源自这两所高校的研究成果，如今已成为光学互连芯粒领域的行业领先者。通过与西北大学的新合作，这一同样的制造流程如今不仅能用于AI和超级计算所需的高速光学互连，也如本研究所示，可在大规模硅平台上实现复杂的量子光子系统。
“我们的目标是证明，复杂的量子光子系统完全可以在一块CMOS芯片内构建并保持稳定。”负责芯片设计、封装与整合的加州大学伯克利分校博士生Daniel Kramnik表示，“这需要那些通常互不往来的领域进行紧密协作。”
随着量子光子系统在规模和复杂度上不断演进，这类芯片有望成为从安全通信网络、先进传感，到最终量子计算基础设施等多种技术的核心构件。
几位参与本研究的研究生作者已继续在产业界推进硅基光子与量子技术：Josep Maria Fargas Cabanillas与Anirudh Ramesh加入了光子量子计算初创公司PsiQuantum；?or?e Gluhovi?与Sidney Buchbinder加入Ayar Labs；Imbert Wang就职于Aurora；Daniel Kramnik加入Google X，并正在筹备一家硅基光子创业公司。这些职业轨迹体现了硅基光子在两方面的强劲势头：一方面用于扩展当今的AI计算基础设施，另一方面为可扩展、芯片级量子系统的长远目标铺路。
本研究得到美国国家科学基金会（NSF）资助，包括其“半导体未来”（FuSe）专项计划，以及帕卡德科学与工程奖学金和Catalyst基金支持。芯片流片由Ayar Labs与格芯（GlobalFoundries）提供。
相关研究成果发表在《Nature Electronics》期刊（DOI：10.1038/s41928-025-01410-5）。
