集成量子光子學的前景

  今天的數(shù)字社會在很大程度上依賴于數(shù)據(jù)的安全傳輸和存儲。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，該算法設計者的姓氏)。然而，1994年數(shù)學家彼得-肖爾證明，理想的量子計算機可以比傳統(tǒng)計算機快指數(shù)級的速度，找到大數(shù)的質(zhì)因數(shù)，從而在幾小時或幾天內(nèi)破解RSA加密。

  雖然實用的量子計算機可能還需要幾十年的時間后，才足夠?qū)崿F(xiàn)肖爾的算法，以破解RSA或類似的加密方法，但其潛在的影響對我們的數(shù)字社會和我們的數(shù)據(jù)安全是非?？膳碌?。

  鑒于這些風險，可以說保護數(shù)據(jù)和通信的最安全方式是以量子對抗量子：通過利用量子物理原理的安全協(xié)議，保護你的數(shù)據(jù)免受量子計算機的黑客攻擊。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量子通信和QKD的應用空間。我們有幾十年操縱光子屬性的經(jīng)驗(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較小的損耗將光子傳送到很遠的距離。此外，光纖已經(jīng)是現(xiàn)代電信網(wǎng)絡的一個基本組成部分，所以未來的量子網(wǎng)絡可以在現(xiàn)有的光纖基礎設施上運行。所有這些跡象都指向量子光子學的一個新時代。

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

  整合是將實驗室技術引入市場的關鍵

  將量子產(chǎn)品從實驗室原型變成可以在市場上銷售的完全實現(xiàn)的產(chǎn)品是一個復雜的過程，涉及幾個關鍵步驟。

  將量子產(chǎn)品推向市場的最大挑戰(zhàn)之一是將技術從實驗室原型擴大到大規(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)應用的需求。這需要廣泛的測試和優(yōu)化，以確保產(chǎn)品達到或超過預期的規(guī)格。

  此外，量子產(chǎn)品必須符合相關行業(yè)標準和法規(guī)，以確保安全、互操作性以及與現(xiàn)有基礎設施的兼容性。這需要與監(jiān)管機構和行業(yè)組織密切合作，制定適當?shù)臉藴屎蜏蕜t。

  光子集成是一個使量子技術更容易實現(xiàn)這些目標的過程。通過利用現(xiàn)有的半導體制造體系，量子技術可以更容易地擴大其生產(chǎn)量。

  更小的尺寸和更高的效率

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

  光學元件和系統(tǒng)的小型化對于實用量子技術的發(fā)展至關重要，因為它需要緊湊和便攜的器件，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。小型化的量子通信設備可用于保障通信網(wǎng)絡的安全，實現(xiàn)設備間的安全通信。

  集成光子學還允許創(chuàng)建復雜的光電路，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)。這對開發(fā)實用的量子計算機至關重要，因為它需要將大量的量子比特(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

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

  埃因霍溫技術大學和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)濟原則將如何適用于光子學。如果生產(chǎn)量能從每年幾千個芯片增加到幾百萬個，那么每個光芯片的價格就能從幾千歐元降到幾十歐元。這必須是量子光子學產(chǎn)業(yè)的目標。

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)式增長導致成本的指數(shù)式下降。資料來源：模型和圖表由埃因霍溫大學的Meint Smit教授提供。

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

  啟示

  總的來說，將量子產(chǎn)品推向市場需要一個多學科的方法，包括科學家、工程師、設計師、商業(yè)專業(yè)人士和監(jiān)管機構之間的合作，以開發(fā)和商業(yè)化一個高質(zhì)量的產(chǎn)品，滿足其目標客戶的需求。集成光子學在小型化和擴展?jié)摿Ψ矫婢哂酗@著優(yōu)勢，這對于將量子技術從實驗室推向市場至關重要。