激光刻写玻璃芯片，推动量子通信走向实际应用

随着量子计算机的持续发展，当今许多加密系统正面临被淘汰的风险。量子密码学作为一种强有力的替代方案，其安全性建立在物理定律而非计算复杂度之上。但要将量子通信转化为实用技术，研究人员需要开发紧凑且可靠的设备，以解码光所携带的脆弱量子态。

帕多瓦大学、米兰理工大学及国家研究委员会光子学与纳米技术研究所的联合团队，近期研究展示了如何通过一种简单材料——硼硅酸盐玻璃实现这一目标。据《先进光子学》报道，该团队利用飞秒激光直写技术在玻璃内部制备出高性能量子相干接收器。该方法具备低光损耗、运行稳定且与现有光纤基础设施广泛兼容的特点，这些正是推动量子技术走出实验室、实现规模化应用的关键因素。

激光直写玻璃芯片展现玻璃平台在量子通信领域的巨大潜力

为何选择玻璃？
连续变量量子信息处理技术（应用于量子密钥分发和量子随机数生成等领域），依赖于对光波振幅与相位的测量。这类测量需借助相干接收器，将微弱的量子信号与较强的参考光束进行合成并分析其干涉效应。

迄今为止，大多数集成化接收器均基于硅材料实现。虽然硅技术成熟且集成度高，但其存在偏振敏感性和高光学损耗的缺陷，这两者都会降低量子通信系统的性能与稳定性。

相比之下，玻璃材料天生对偏振不敏感、稳定性极佳，并能以极低的传播损耗实现三维波导刻写。通过飞秒激光微加工技术，研究人员可直接在材料内部构建光导通道，形成紧凑的光子学回路，从而避免了半导体晶圆厂复杂的制造流程。

激光直写量子接收器的内部构造
该团队通过将光学回路直接刻写至硼硅酸盐玻璃内部，制备出完全可调谐的外差接收器——这是连续变量量子密钥分发与连续变量量子随机数生成系统的核心组件。该芯片包含：固定式与可调谐分束器、用于精确电控的热光相位调制器、三维波导交叉结构、偏振无关定向耦合器。

这些组件使量子信号与参考光束能以可控方式产生干涉，从而实现对两个共轭正交分量的同步测量。该器件同时展现一些特性，包括极低的插入损耗（约1分贝）；偏振无关的工作模式；高于73分贝的共模抑制比，表明对经典噪声的强力抑制；连续运行至少8小时仍保持高信噪比稳定性。

这些性能指标达到甚至超越了多数硅基光子接收器的水平。

单芯片集成双重量子技术
得益于该芯片的低损耗、可调谐性与高稳定性，其可在无需硬件改动的情况下支持多种量子通信任务。研究团队将该芯片作为外差探测器，实现了源端设备无关的量子随机数生成——这意味着即使输入的光量子态不可信，系统仍能保持安全性。

凭借强大的噪声抑制能力与稳定的正交分量测量性能，该芯片实现了42.7 Gbit/s的安全随机比特生成速率，在此安全模型下创下最高纪录。

该器件还可用于执行基于四相相移键控的连续变量量子密钥分发协议，该协议将信息编码于四态星座图的量子态中。在模拟的9.3公里光纤链路上，系统达到了3.2 Mbit/s的密钥生成速率。这一性能表明，基于玻璃材料的光子前端能够支持最先进的连续变量量子密钥分发技术，同时规避硅基平台的固有局限性。

面向实际应用的成熟平台
除了性能指标外，该研究凸显了玻璃在集成量子光子学领域的固有优势。这些优势体现在以下几个方面。
包括环境稳定性：玻璃材料惰性强，能有效抵御热波动与机械扰动
低损耗光纤耦合：波导尺寸与标准通信光纤高度匹配
三维设计自由度：可在无额外散射的前提下实现交叉波导与复杂路径排布
规模化与成本效益：飞秒激光直写技术无需昂贵半导体工艺步骤，即可实现快速原型制备

这些特性保障了器件的长期稳定性与鲁棒性，为未来应用于野外系统乃至太空量子通信任务奠定了基础。研究团队强调，基于玻璃的集成光子学技术有望弥合实验室级实验与可部署量子网络之间的鸿沟。

此外，该研究彰显了玻璃基集成光子学作为量子技术稳健多功能平台的潜力。玻璃材料惰性高、稳定性强且成本效益显著，所制备的器件天然具备抵御严苛环境条件的能力。这一创新方法有望跨越实验室原型与可部署量子通信系统之间的障碍，标志着向现实世界量子网络基础设施迈出了关键一步。

编辑手记
当量子通信从实验室走向现实应用，材料的选择成为关键突破点。传统硅基方案受限于偏振敏感与高损耗，而这项研究通过飞秒激光在硼硅酸盐玻璃中“书写”光子回路，不仅实现了极低损耗、偏振无关的稳定性能，更在同一芯片上同时完成高速量子随机数生成与密钥分发。玻璃的天然稳定性与三维集成自由度，让量子设备兼具环境韧性与成本优势——这或许正是未来量子网络真正落地所需的那块“基石”。