全球首创！PsiQuantum发布可量产光子量子计算平台，突破光量子计算规模化瓶颈

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全球首创！PsiQuantum发布可量产光子量子计算平台，突破光量子计算规模化瓶颈

2025/03/14

引言

量子计算被誉为下一代计算革命的核心，但其规模化与实用化一直面临巨大挑战。传统量子比特（如超导、离子阱）需在极端低温下运行，且纠错需求导致系统复杂度指数级增长。而光子量子计算凭借其室温运行、低噪声等潜力备受关注，却因组件集成度低、损耗高等问题长期停滞。

近日，PsiQuantum团队在《自然》杂志发布重磅论文，宣布成功开发全球首个可大规模制造的光子量子计算平台！该平台基于成熟的半导体制造工艺，集成单光子源、超导探测器、低损耗波导等核心组件，首次实现了从光子生成、操控到检测的全链条集成，性能指标全面突破行业极限。这一成果标志着光子量子计算向实用化迈出关键一步！

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第一章核心突破：工业级制造的光子量子技术栈

传统光子量子系统依赖分立元件，难以规模化。PsiQuantum团队另辟蹊径，与全球半导体巨头GlobalFoundries合作，改造300mm硅光芯片生产线，引入超导材料、氮化硅（SiN）波导等创新工艺，打造出“量子光电子技术栈”。这一平台包含20余道光刻层级和数百道工序，兼具高性能与可扩展性。

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图1 可制造的集成量子光子栈。

1.高性能单光子源：纯度99.5%，无需精密调谐

光子量子计算需要大量高纯度单光子。传统谐振环光源因光谱纯度不足（约93%），严重限制量子干涉可见度。团队提出干涉耦合谐振腔设计，通过优化谐振腔耦合与泵浦光谱，将单光子光谱纯度提升至99.5%±0.1%（图2b），且无需外部滤波即可直接使用。此外，该团队还开发了级联谐振腔光源（图4a）。该设计通过24个谐振腔联合优化，不仅将泵浦能耗降低一个量级，还实现对制造波长偏差的强鲁棒性。实验显示，即使两光源谐振波长偏移±400 pm（传统设计仅±40 pm），光子不可区分性仍超99%（图4c），为无调谐量产奠定基础。

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图2 平台的关键构件。

2. 超导单光子探测器：效率98.9%，支持光子数分辨

光子检测效率是量子计算链路损耗的关键瓶颈。传统硅基探测器效率不足80%，且无法分辨光子数量。PsiQuantum创新引入铌氮化物（NbN）超导纳米线探测器（SNSPD），通过“发夹形”纳米线设计（图2a），在2K低温下实现中值效率93.4%，最高达98.9%（图4e）！此外，团队还通过空间复用技术（图4d），将多个SNSPD单元串联，首次实现了4光子数分辨能力（图4f）。这一技术可有效剔除高阶光子噪声，提升融合测量精度，为FBQC（融合式量子计算）提供关键硬件支持。

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图3 量子基准电路。

3. 超低损耗氮化硅波导：0.5 dB/m，逼近理论极限

光子在芯片内传输的损耗直接影响系统规模。传统硅波导因高折射率对比度，损耗高达数dB/m。团队转向氮化硅（SiN）波导，通过优化工艺，将单模波导损耗降至1.8±0.2 dB/m，多模波导更是低至0.5±0.3 dB/m（图5a）！此外，交叉波导与分束器损耗分别仅1.2 mdB和0.5 mdB（图5b），接近实用化需求。

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图4 级联谐振器和PNRD。

4. 高速钡钛酸锂光开关：0.33 dB·V，突破非确定性瓶颈

光子源的随机性要求高速光开关实现多路复用。传统热光移相器功耗高、速度慢。团队引入钡钛酸锂（BTO）电光材料，其泡克尔斯系数超1000 pm/V（锂铌酸锂仅30 pm/V），研发出损耗-电压积仅0.33±0.02 dB·V的2×2马赫-曾德尔开关（图5g）。这一性能使大规模光开关网络成为可能，为动态重构量子电路扫清障碍。

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