1 工作简介

         ——国际最大规模量子点混合集成光量子芯片

与传统微电子芯片的发展路径类似，光量子芯片是推动光量子信息技术走向实用化的重要研究趋势。当前主流光量子芯片多依赖基于非线性光学过程的概率性光源产生单光子信号，光子发射具有“几率”特性，发射效率低、多光子量子比特制备困难。相比之下，固态原子（如自组装量子点、金刚石色心等）具有类原子的二能级结构，可实现确定性、高效率的单光子发射，是实现片上多光子量子比特制备的理想光源。然而，固态量子光源仍面临频率非均匀展宽与缺乏高效混合集成技术等关键瓶颈，严重限制了其在大规模片上集成与量子网络互联中的应用，成为光量子芯片实用化进程中的核心挑战。

针对上述问题，中国科学院上海微系统与信息技术研究所张加祥、欧欣研究员联合中山大学刘进教授、中国科学技术大学霍永恒教授团队在 Nature Materials 发表了题为 “Large-scale quantum-dot–lithium-niobate hybrid integrated photonic circuits enabling on-chip quantum networking” 的最新研究成果。该团队实现了基于固态原子（半导体量子点）确定性单光子源与低损耗铌酸锂薄膜的混合集成光量子芯片，创新性地提出基于铌酸锂薄膜铁电畴工程的片上局域应力调控技术，实现了量子点单光子源宽范围、高动态、可逆的光谱精细调谐，同时，团队发展出基于“微转印”工艺的百纳米精度混合集成技术，实现了多达20个确定性量子点单光子源的同步片上集成与光谱调谐。通过材料功能创新与混合芯片架构突破，率先在混合构架的集成光量子芯片上实现了空间分离长达0.48 mm距离的两个量子点单光子源之间的片上量子干涉互联，为构建可扩展的片上量子网络和光量子计算芯片奠定了重要芯片架构和关键片上器件基础。

本研究的创新点体现在以下几点：

1. 提出铌酸锂薄膜上应力调控新机制，实现片上应力动态调控量子点确定性单光子源，光谱调谐范围达到7.7 meV，超过量子点单光子变换极限线宽三个数量级；

2. 发展出百纳米级精度的“微转印”混合集成工艺，实现多达20个量子点确定性单光子源的片上同时集成和光谱调谐，基于该平台，实现片上不同量子点单光子源的量子干涉互联，片上互联距离0.48 mm，干涉可见度73%；

3. 针对片上固态量子体系（如量子点、金刚石色心等）固有的非均匀展宽问题，提出基于铌酸锂薄膜铁电畴工程的新型直流电压驱动局域应力调控技术，实现五个关键特性集成：芯片集成、宽域调谐、4K低温兼容、超低功耗（μW量级）以及可逆调控，这一方法不仅拓展了铌酸锂材料除电光调制和声表面波之外片上量子调控这一新功能维度，为其它新兴铁电薄膜材料，如钛酸钡（BTO）、钛酸锶（STO）等在片上量子调控应用提供关键技术指导。基于铌酸锂铁电畴工程的片上应力调控技术具有支持千量级量子点光源的同时芯片集成，为片上扩展化多光子资源制备提供重要技术路线。

该工作结合自组装量子点与铌酸锂这两种在光学研究领域中具有巨大优势的量子材料，为扩展化光量子芯片的发展提供了新的技术路线。同时，平台具有进一步扩展潜力，当前量子点单光子源的片上集成密度可达 67 个/mm, 因此厘米级芯片可容纳 1000+量子通道。此外，单通道量子点单光子源局域应力调控仅需要微瓦功率损耗，相比传统光量子芯片中“毫瓦”功耗的热光调控降低了三个数量级，其低温兼容性和微瓦级功耗，可实现超导纳米线单光子探测器的同时芯片集成。未来还可进一步利用铌酸锂材料的高速电光效应，实现片上光子的高速路由与纠缠分发，这一成果为实现容错线性光量子计算与可扩展量子互联网提供了全新技术方案。

2 主要作者简介

第一作者

王旭东，中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士研究生。

国家奖学金获得者。

通讯作者

霍永恒，中国科学技术大学教授，国家青年特聘专家、上海市特聘专家。

2006年7月于天津大学获学士学位，2011年1月于中国科学院半导体所获博士学位。2011年2月至2015年3月在德国莱布尼茨固态和材料研究所（IFW Dresden）工作，先后任博士后（IFW Scholarship）和分子束外延实验室负责人（Scientist）。2015年4月至2016年6月在奥地利林茨大学任高级研究员（Senior Researcher），负责搭建III/V分子束外延系统。2016年7月到中国科学技术大学工作。多年专注于量子信息材料、器件及相关物理问题的研究。首次实现了基态为轻空穴的半导体量子点，可直接发射纠缠光子对的(001)GaAs量子点，以及用于可调谐电泵浦高速单光子源和纠缠光子源的量子光源材料。基于其制备的量子点样品还目前保持着最高的纠缠保真度记录，以及单光子源和纠缠光子源综合性能最优的记录已在Science、Nature Physics、Nature Photonics、Physical Review Letters、Nature Communications、Nano Letters、PRB、APL等发表论文30多篇，承担国家和省市项目多项。

通讯作者

刘进，中山大学教授，国家青年特聘专家，教育部长江学者特聘教授。

长期从事微纳光学和集成量子光学的研究工作，在 Nature系列、PRL等重要学术期刊上发表系列成果，其研究成果入选2019年度“中 国光学十大进展”和“中国高等学校十大科技进展”、以及2021年度“中国半导体十大研究进展”，目前主持科技部重点研发课题、国家基金委重点项目等课题并担任Light: Science & Applications、Science Bulletin的编委和Applied Physics Letters、IEEE Journal of Lightwave Technology、Optical Materials Express的客座编辑。

通讯作者

欧欣，中国科学院上海微系统所研究员，博士生导师，国家级领军人才，中国青年科技奖获得者，国家自然科学基金重大项目首席，国家重点研发计划首席，享受国务院政府特殊津贴。

2009年博士毕业于中国科学院上海微系统所，其中2007-2015年在德国亥姆霍兹德累斯顿研究中心和德国马普微结构物理研究所学习和工作。先后入选国家级科技创新领军人才、国家优青、中国科学院高层次人才计划（终期优秀）、中国科学院王宽诚率先人才计划“卢嘉锡国际团队”带头人、中国科学院上海分院杰出青年创新人才、上海市优秀学术带头人、上海市领军人才（海外）、上海市浦江人才等。长期从事集成电路核心材料SOI技术研究，在此基础上发展了基于“万能离子刀”技术的异质集成XOI材料与器件研究方向，研究成果为5G/6G射频滤波器、光电、功率芯片提供创新的异质集成材料和器件方案，并在5G射频芯片、光芯片等领域获得产业应用。先后发表SCI/EI论文近200篇，其中150篇以第一/通讯作者发表在 Nature、Nature Com.、PRL、Adv. Mater.、Nano Lett.、Light等著名期刊及IEEE顶会顶刊包括IEDM、TMTT、IMS、MEMS、IUS等；参著三本英文专著和一本中文专著；申请专利260余件，已授权132件（国际7件），成果转化44件；作为首任大会主席发起国内第一届射频滤波器创新技术大会，并形成该领域重要创新论坛。

通讯作者

张加祥，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，博士生导师，国家级青年特聘专家，中国科学院特聘研究员。

2015年8月博士毕业于德国莱布尼兹固体物理研究所。2018年入选上海市启明星、中国科学院高层次人才计划和国家高层次青年人才计划，主要从事异质集成材料和大规模混合集成光量子器件和芯片方面的研究工作，突破新材料向高性能非线性和光量子芯片转化的诸多技术瓶颈，实现目前最大规模量子点混合集成光量子芯片，迄今在Nat. Mat.、Nat. Phys.、Nat. Commun.、Nano Lett.、Light: Sci. and Appl.、Laser Photon. Rev. 和Appl. Phys. Rev. 等期刊上发表SCI论文80余篇，承担科技部重点研发计划课题、中国科学院青年团队稳定支持等项目。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02398-1