华中科大首创DNN衍射量子芯片登《Science Advances》:3D打印实现160μm³高维逻辑门

0 1 前言

华中科技大学王健/刘骏团队在《Science Advances》发表突破性研究,利用飞秒激光三维打印技术,制造出全球首个聚合物基超紧凑高维量子光芯片。该芯片仅160微米见方(约头发丝直径的1.5倍),却实现了光子空间模式的三维量子逻辑门操作,保真度高达90%。这项技术将传统量子设备体积缩小千倍,为光量子计算机的集成化迈出关键一步。

0 2 核心内容

  1. 传统量子光学系统的局限

传统量子门(如基于空间光调制器SLM的系统)体积庞大、对准精度要求高,且需要持续供电,难以集成到小型化量子设备中。

光子的高维量子态(如拉盖尔-高斯模式)能编码更多信息,但实现高保真度的量子门操作一直是技术难点。

  1. 创新解决方案:聚合物MPLC芯片

研究团队采用飞秒激光三维打印(TPP-FLDW)技术,在芯片上直接制造亚微米级三维结构,构建多平面光转换(MPLC)系统。

结合衍射神经网络(DNN)设计四层MPLC结构,实现高维量子门(如3D Hadamard门)的高效操作。

优势:芯片尺寸小(特征尺寸仅1.6微米)、无需外部电源、支持级联操作,比传统SLM方案体积缩小数十倍。

  1. 实验验证:高保真度量子门

通过单光子源和量子过程层析技术,测得量子门保真度达90%,接近理论极限。

SEM表征显示芯片结构精度极高(层厚52.22微米,像素尺寸1.58微米),验证了制造工艺的可靠性。

0 3 研究意义

量子计算:高维量子门是高维量子计算的核心,该芯片为构建更强大的量子处理器提供了硬件基础。

量子通信:芯片的高集成度可提升量子密钥分发(QKD)的密钥率,增强信息安全。

未来方向:进一步优化结构精度,扩展至更高维量子门(如4D/5D),并推动光量子芯片的商业化应用。

PART.0 1 芯片结构设计图

基于TPP FLDW技术制备的DNN超紧凑三维集成量子门示意图

(A) 超紧凑DNN量子门结构

由四层衍射层构成,采用物镜将输入模式缩放到适宜尺寸并聚焦至输入层。

(B) TPP基FLDW加工设备

飞秒激光双光子聚合直写系统整体装置。

(C) 加工设备细节

油浸物镜浸入光刻胶中完成浸没式加工流程。

(D) DNN量子门三维模型

器件物理结构数字化呈现。

PART.0 2 DNN设计的相位板

DNN量子门训练集与结果

(A与B)训练集的强度与相位分布

强度图(A)与相位图(B)

单位:a.u.(arbitrary units,任意单位)

(C) 基于BPM的DNN模型训练所得相位板高度分布

PART.0 3 实验光路系统

物理DNN量子门的实验装置与表征

(A) 四层DNN量子门完整实验系统

包含四大模块:

单光子源:自发参量下转换光源

态制备:SLM调控量子态

量子门:衍射神经网络器件(dnnQD)

测量:投影测量与符合计数

核心光学元件:

Col.:准直器

PC1/PC2:偏振控制器

HWP:半波片

M1-M4:反射镜

MRA:直角反射镜(注:原文MRA应为直角反射镜)

L1-L6:透镜

Obj.1/Obj.2:物镜(20×)

SPD1/SPD2:单光子探测器

C.C.:符合计数模块

(B) DNN量子门工作原理细节

展示光在四层衍射结构中的传播路径与相位调制过程。

(C) DNN量子门实物图

玻璃基底上的聚合物器件(箭头标示160μm×160μm有效区域)。

(D-G) 加工器件的SEM表征

(D) 顶视电镜图(标尺:50μm)

(E) 斜视角微结构(标尺:20μm)

(F) 截面层间距测量(52.22μm)

(G) 像素局部形貌(像素尺寸:1.58μm)

PART.0 4 量子门性能验证

FLDW制备三维量子门的实验评估

(A与B) 理想输入态与实验输入态(CMOS相机捕获)

(A) 理论模拟输入态强度分布

(B) 实测输入态强度分布

(C与D) 模拟输出态与实验输出态(CMOS相机捕获)

(C) 理论模拟输出态

(D) 量子门作用后实测输出态

(E) 基于最大似然估计(MLE)的层析矩阵实验结果

量子过程矩阵的测量重构结果

(F) 三维H₁门重构过程矩阵χ的实部与虚部(保真度90.1%)

彩色柱:实验三维H₁门χ矩阵

空心框:理论三维H₁门χ矩阵

特殊标注:负值柱状图翻转显示(白边标识)

0 4 结语

从"跟跑"到"并跑",中国团队正用AI+激光开辟量子芯片新赛道。当传统量子计算还在为"制冷费用"发愁时,这种室温运行、邮票大小的光量子芯片,或许将率先走进实验室甚至数据中心。正如论文通讯作者王健教授所说:"我们不仅造出了更小的量子门,更找到了一条通往未来的路。"

DOI: 10.1126/sciadv.adv5718

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