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
- 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。
- 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。
- 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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