集成量子光子學(xué)的前景

  今天的數字社會(huì )在很大程度上依賴(lài)于數據的安全傳輸和存儲。最古老和最廣泛使用的數據加密方法之一被稱(chēng)為RSA(Rivest-Shamir-Adleman，該算法設計者的姓氏)。然而，1994年數學(xué)家彼得-肖爾證明，理想的量子計算機可以比傳統計算機快指數級的速度，找到大數的質(zhì)因數，從而在幾小時(shí)或幾天內破解RSA加密。

  雖然實(shí)用的量子計算機可能還需要幾十年的時(shí)間后，才足夠實(shí)現肖爾的算法，以破解RSA或類(lèi)似的加密方法，但其潛在的影響對我們的數字社會(huì )和我們的數據安全是非?？膳碌?。

  鑒于這些風(fēng)險，可以說(shuō)保護數據和通信的最安全方式是以量子對抗量子：通過(guò)利用量子物理原理的安全協(xié)議，保護你的數據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(guò)QKD加密的通信鏈路實(shí)例，資料來(lái)源：TU Eindhoven。

  QKD系統使用的量子比特(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。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(lái)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)是現代電信網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)基本組成部分，所以未來(lái)的量子網(wǎng)絡(luò )可以在現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(xué)的一個(gè)新時(shí)代。

  光子QKD設備以某種形式出現在市場(chǎng)上已經(jīng)超過(guò)15年了。但是，諸如成本高、體積大、無(wú)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(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)設備成本的方法之一是將每一個(gè)QKD功能(生成、操縱和檢測光子量子比特)整合到一個(gè)芯片中。

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

  將量子產(chǎn)品從實(shí)驗室原型變成可以在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的完全實(shí)現的產(chǎn)品是一個(gè)復雜的過(guò)程，涉及幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

  將量子產(chǎn)品推向市場(chǎng)的最大挑戰之一是將技術(shù)從實(shí)驗室原型擴大到大規模生產(chǎn)。這需要開(kāi)發(fā)可靠的制造工藝和供應鏈，以便大規模地生產(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(mǎn)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(guò)預期的規格。

  此外，量子產(chǎn)品必須符合相關(guān)行業(yè)標準和法規，以確保安全、互操作性以及與現有基礎設施的兼容性。這需要與監管機構和行業(yè)組織密切合作，制定適當的標準和準則。

  光子集成是一個(gè)使量子技術(shù)更容易實(shí)現這些目標的過(guò)程。通過(guò)利用現有的半導體制造體系，量子技術(shù)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(xué)最顯著(zhù)的優(yōu)勢之一是它能夠使光學(xué)元件和系統小型化，使它們比傳統的光學(xué)設備更小、更輕、更便攜。這是通過(guò)利用微米和納米級的制造技術(shù)在芯片上創(chuàng )建光學(xué)元件來(lái)實(shí)現的，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)元件和系統的小型化對于實(shí)用量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)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有系統中。例如，緊湊型和便攜式量子傳感器可用于醫療成像、地質(zhì)勘探和工業(yè)過(guò)程監測。小型化的量子通信設備可用于保障通信網(wǎng)絡(luò )的安全，實(shí)現設備間的安全通信。

  集成光子學(xué)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。這對開(kāi)發(fā)實(shí)用的量子計算機至關(guān)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。

  規模經(jīng)濟

  晶圓規模的光子學(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(xiàn)使每個(gè)器件的成本下降。這種規模經(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(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，以顯示這種規模經(jīng)濟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(wàn)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。

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

  通過(guò)在單個(gè)芯片上集成所有的光學(xué)元件，我們還將復雜性從組裝過(guò)程轉移到更高效和可擴展的半導體晶圓工藝上。通過(guò)互連多個(gè)光子芯片來(lái)組裝和封裝一個(gè)器件會(huì )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(xué)元件要容易得多，這就降低了器件的成本。

  啟示

  總的來(lái)說(shuō)，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、設計師、商業(yè)專(zhuān)業(yè)人士和監管機構之間的合作，以開(kāi)發(fā)和商業(yè)化一個(gè)高質(zhì)量的產(chǎn)品，滿(mǎn)足其目標客戶(hù)的需求。集成光子學(xué)在小型化和擴展潛力方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢，這對于將量子技術(shù)從實(shí)驗室推向市場(chǎng)至關(guān)重要。