集成量子光子学的前景

  今天的数字社会在很大程度上依赖于数据的安全传输和存储。最古老和最广泛使用的数据加密方法之一被称为RSA(Rivest-Shamir-Adleman，该算法设计者的姓氏)。然而，1994年数学家彼得-肖尔证明，理想的量子计算机可以比传统计算机快指数级的速度，找到大数的质因数，从而在几小时或几天内破解RSA加密。

  虽然实用的量子计算机可能还需要几十年的时间后，才足够实现肖尔的算法，以破解RSA或类似的加密方法，但其潜在的影响对我们的数字社会和我们的数据安全是非常可怕的。

  鉴于这些风险，可以说保护数据和通信的最安全方式是以量子对抗量子：通过利用量子物理原理的安全协议，保护你的数据免受量子计算机的黑客攻击。这就是量子密钥分配(QKD)的作用。

  图1：通过QKD加密的通信链路实例，资料来源：TU Eindhoven。

  QKD系统使用的量子比特(qubits)可以是光子、电子、原子或任何其他能以量子状态存在的系统。然而，使用光子作为量子比特将可能主导量子通信和QKD的应用空间。我们有几十年操纵光子属性的经验(如偏振和相位)，可用来编码量子比特。由于光纤的存在，我们也知道如何以相对较小的损耗将光子传送到很远的距离。此外，光纤已经是现代电信网络的一个基本组成部分，所以未来的量子网络可以在现有的光纤基础设施上运行。所有这些迹象都指向量子光子学的一个新时代。

  光子QKD设备以某种形式出现在市场上已经超过15年了。但是，诸如成本高、体积大、无法在更远的距离上操作等因素，还是阻碍了它们的广泛采用。许多有关量子光子学的研发工作旨在解决尺寸、重量和功率(SWaP)的限制。克服这些限制并降低每个设备成本的方法之一是将每一个QKD功能(生成、操纵和检测光子量子比特)整合到一个芯片中。

  整合是将实验室技术引入市场的关键

  将量子产品从实验室原型变成可以在市场上销售的完全实现的产品是一个复杂的过程，涉及几个关键步骤。

  将量子产品推向市场的最大挑战之一是将技术从实验室原型扩大到大规模生产。这需要开发可靠的制造工艺和供应链，以便大规模地生产高质量的量子产品。量子产品必须具有高度的性能和可靠性，以满足商业应用的需求。这需要广泛的测试和优化，以确保产品达到或超过预期的规格。

  此外，量子产品必须符合相关行业标准和法规，以确保安全、互操作性以及与现有基础设施的兼容性。这需要与监管机构和行业组织密切合作，制定适当的标准和准则。

  光子集成是一个使量子技术更容易实现这些目标的过程。通过利用现有的半导体制造体系，量子技术可以更容易地扩大其生产量。

  更小的尺寸和更高的效率

  集成光子学最显著的优势之一是它能够使光学元件和系统小型化，使它们比传统的光学设备更小、更轻、更便携。这是通过利用微米和纳米级的制造技术在芯片上创建光学元件来实现的，然后可以与其他电子和光学元件集成，创建一个功能齐全的器件。

  光学元件和系统的小型化对于实用量子技术的发展至关重要，因为它需要紧凑和便携的器件，以便很容易地集成到现有系统中。例如，紧凑型和便携式量子传感器可用于医疗成像、地质勘探和工业过程监测。小型化的量子通信设备可用于保障通信网络的安全，实现设备间的安全通信。

  集成光子学还允许创建复杂的光电路，可以很容易地与其他电子元件集成，以创建完全集成的光电子量子系统。这对开发实用的量子计算机至关重要，因为它需要将大量的量子比特(量子位)与控制和读出电子的元件整合在一起。

  规模经济

  晶圆规模的光子学制造需要较高的前期投资，但由此形成的大批量生产线使每个器件的成本下降。这种规模经济原则与电子制造业背后的原则相同，同样必须适用于光子学。我们能在单个芯片中集成的光学元件越多，每个器件的价格就越能降低。单个晶圆中能集成的光学系统芯片(SoC)器件越多，每个SoC的价格就越能降低。

  埃因霍温技术大学和JePPIX联盟的研究人员已经做了一些模型，以显示这种规模经济原则将如何适用于光子学。如果生产量能从每年几千个芯片增加到几百万个，那么每个光芯片的价格就能从几千欧元降到几十欧元。这必须是量子光子学产业的目标。

图2：光子集成芯片(PIC)的成本模型是每年生产的PIC总数的函数。产量的指数式增长导致成本的指数式下降。资料来源：模型和图表由埃因霍温大学的Meint Smit教授提供。

  通过在单个芯片上集成所有的光学元件，我们还将复杂性从组装过程转移到更高效和可扩展的半导体晶圆工艺上。通过互连多个光子芯片来组装和封装一个器件会增加组装的复杂性和成本。另一方面，在晶圆上大批量地组合和排列光学元件要容易得多，这就降低了器件的成本。

  启示

  总的来说，将量子产品推向市场需要一个多学科的方法，包括科学家、工程师、设计师、商业专业人士和监管机构之间的合作，以开发和商业化一个高质量的产品，满足其目标客户的需求。集成光子学在小型化和扩展潜力方面具有显著优势，这对于将量子技术从实验室推向市场至关重要。