激光刻寫玻璃芯片，推動量子通信走向實際應用

隨著量子計算機的持續發展，當今許多加密系統正面臨被淘汰的風險。量子密碼學作為一種強有力的替代方案，其安全性建立在物理定律而非計算復雜度之上。但要將量子通信轉化為實用技術，研究人員需要開發緊湊且可靠的設備，以解碼光所攜帶的脆弱量子態。

帕多瓦大學、米蘭理工大學及國家研究委員會光子學與納米技術研究所的聯合團隊，近期研究展示了如何通過一種簡單材料——硼硅酸鹽玻璃實現這一目標。據《先進光子學》報道，該團隊利用飛秒激光直寫技術在玻璃內部制備出高性能量子相干接收器。該方法具備低光損耗、運行穩定且與現有光纖基礎設施廣泛兼容的特點，這些正是推動量子技術走出實驗室、實現規模化應用的關鍵因素。

激光直寫玻璃芯片展現玻璃平臺在量子通信領域的巨大潛力

為何選擇玻璃？
連續變量量子信息處理技術（應用于量子密鑰分發和量子隨機數生成等領域），依賴于對光波振幅與相位的測量。這類測量需借助相干接收器，將微弱的量子信號與較強的參考光束進行合成并分析其干涉效應。

迄今為止，大多數集成化接收器均基于硅材料實現。雖然硅技術成熟且集成度高，但其存在偏振敏感性和高光學損耗的缺陷，這兩者都會降低量子通信系統的性能與穩定性。

相比之下，玻璃材料天生對偏振不敏感、穩定性極佳，并能以極低的傳播損耗實現三維波導刻寫。通過飛秒激光微加工技術，研究人員可直接在材料內部構建光導通道，形成緊湊的光子學回路，從而避免了半導體晶圓廠復雜的制造流程。

激光直寫量子接收器的內部構造
該團隊通過將光學回路直接刻寫至硼硅酸鹽玻璃內部，制備出完全可調諧的外差接收器——這是連續變量量子密鑰分發與連續變量量子隨機數生成系統的核心組件。該芯片包含：固定式與可調諧分束器、用于精確電控的熱光相位調制器、三維波導交叉結構、偏振無關定向耦合器。

這些組件使量子信號與參考光束能以可控方式產生干涉，從而實現對兩個共軛正交分量的同步測量。該器件同時展現一些特性，包括極低的插入損耗（約1分貝）；偏振無關的工作模式；高于73分貝的共模抑制比，表明對經典噪聲的強力抑制；連續運行至少8小時仍保持高信噪比穩定性。

這些性能指標達到甚至超越了多數硅基光子接收器的水平。

單芯片集成雙重量子技術
得益于該芯片的低損耗、可調諧性與高穩定性，其可在無需硬件改動的情況下支持多種量子通信任務。研究團隊將該芯片作為外差探測器，實現了源端設備無關的量子隨機數生成——這意味著即使輸入的光量子態不可信，系統仍能保持安全性。

憑借強大的噪聲抑制能力與穩定的正交分量測量性能，該芯片實現了42.7 Gbit/s的安全隨機比特生成速率，在此安全模型下創下最高紀錄。

該器件還可用于執行基于四相相移鍵控的連續變量量子密鑰分發協議，該協議將信息編碼于四態星座圖的量子態中。在模擬的9.3公里光纖鏈路上，系統達到了3.2 Mbit/s的密鑰生成速率。這一性能表明，基于玻璃材料的光子前端能夠支持最先進的連續變量量子密鑰分發技術，同時規避硅基平臺的固有局限性。

面向實際應用的成熟平臺
除了性能指標外，該研究凸顯了玻璃在集成量子光子學領域的固有優勢。這些優勢體現在以下幾個方面。
包括環境穩定性：玻璃材料惰性強，能有效抵御熱波動與機械擾動
低損耗光纖耦合：波導尺寸與標準通信光纖高度匹配
三維設計自由度：可在無額外散射的前提下實現交叉波導與復雜路徑排布
規模化與成本效益：飛秒激光直寫技術無需昂貴半導體工藝步驟，即可實現快速原型制備

這些特性保障了器件的長期穩定性與魯棒性，為未來應用于野外系統乃至太空量子通信任務奠定了基礎。研究團隊強調，基于玻璃的集成光子學技術有望彌合實驗室級實驗與可部署量子網絡之間的鴻溝。

此外，該研究彰顯了玻璃基集成光子學作為量子技術穩健多功能平臺的潛力。玻璃材料惰性高、穩定性強且成本效益顯著，所制備的器件天然具備抵御嚴苛環境條件的能力。這一創新方法有望跨越實驗室原型與可部署量子通信系統之間的障礙，標志著向現實世界量子網絡基礎設施邁出了關鍵一步。

編輯手記
當量子通信從實驗室走向現實應用，材料的選擇成為關鍵突破點。傳統硅基方案受限于偏振敏感與高損耗，而這項研究通過飛秒激光在硼硅酸鹽玻璃中“書寫”光子回路，不僅實現了極低損耗、偏振無關的穩定性能，更在同一芯片上同時完成高速量子隨機數生成與密鑰分發。玻璃的天然穩定性與三維集成自由度，讓量子設備兼具環境韌性與成本優勢——這或許正是未來量子網絡真正落地所需的那塊“基石”。