玻璃芯片擊敗硅基！飛秒激光直寫刷新量子通信安全速率世界紀錄

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量子計算機的算力正在指數級膨脹。傳統RSA加密體系面臨被暴力破解的終極威脅。物理學家們開出的解藥是量子通信，它依托量子力學基本原理提供無條件安全。這項技術長期卡在工程化瓶頸：現有的硅基集成芯片偏振敏感、光學損耗高，稍微震動就性能暴跌。 現在，一塊看似普通的硼硅酸鹽玻璃打破了僵局。意大利帕多瓦大學聯合米蘭理工大學團隊利用飛秒激光直寫技術，在玻璃內部雕刻出量子相干接收器，實現了42.7 Gbit/s的源無關量子隨機數生成速率，創下該安全模型下的世界紀錄。這項成果發表于《Advanced Photonics》。

連續變量量子密鑰分發（CV-QKD）和量子隨機數生成（QRNG）是量子通信的兩大支柱。它們需要相干接收器將微弱的量子信號與強參考光干涉，精確測量光波振幅和相位。

硅基光子學長期主導集成量子光學。硅材料工藝成熟，晶圓廠可批量生產。但硅有一個致命弱點：強烈的雙折射效應。這意味著光子的偏振態一旦受光纖擾動或溫度變化影響，接收器就會失效。 此外，硅波導表面粗糙，光學損耗通常在3-5 dB，嚴重拖累信噪比。

玻璃則是各向同性材料，天然偏振不敏感。它化學性質惰性，熱穩定性極佳。最關鍵的是，飛秒激光可在玻璃內部三維直寫波導，避開了硅基平面工藝的限制。此次意大利團隊實現的插入損耗僅約1 dB，共模抑制比超過73 dB，8小時運行穩定性遠超硅基競品。 這些硬指標解釋了為何玻璃能后來居上。

制造這塊芯片無需潔凈室，也無需光刻膠。研究人員使用飛秒激光直寫技術，將激光聚焦在硼硅酸鹽玻璃內部特定深度。極高能量密度瞬間改變局部玻璃折射率，形成直徑約微米級的光波導。

這種"光之筆"擁有真正的三維自由度。團隊在其中刻下了可調諧異相干接收器所需的全套元件：固定與可調分束器、熱光相移器、三維波導交叉結構、偏振無關定向耦合器。激光頭在玻璃體內穿梭，就像在水晶中刺繡。傳統硅基芯片需要多層光刻和刻蝕，而玻璃直寫一次成型，原型迭代速度極快。

該接收器能同時測量兩個共軛正交分量，這是CV-QKD的核心要求。玻璃平臺還天然匹配標準電信光纖模場，耦合效率極高，這為接入現有光纖網絡掃清了障礙。

同一塊玻璃芯片演示了兩項關鍵任務，數據極具說服力。

第一項是源無關量子隨機數生成（SDI-QRNG）。即使輸入光態被敵方完全控制，系統仍能提取安全隨機數。該芯片以42.7 Gbit/s的速率生成安全隨機比特。對比之下，此前同安全等級下的硅基集成方案速率通常在Gbit/s量級徘徊。 這一躍升意味著量子隨機數可真正支撐高速加密需求。

第二項是QPSK調制CV-QKD協議。團隊在模擬的9.3公里光纖鏈路上實現了3.2 Mbit/s的安全密鑰率。這一指標與當前最先進的硅基或鈮酸鋰方案相比毫不遜色，卻擁有后者難以企及的環境魯棒性。玻璃的熱膨脹系數與光纖匹配，在野外溫差環境下表現更穩。

中國科學家在硅基光量子芯片領域處于第一梯隊。中國科學技術大學郭光燦團隊、潘建偉團隊已實現高維硅基量子糾纏光源和量子計算原型驗證。2023年，浙江大學戴道鋅團隊也在硅基片上量子通信器件取得突破。這些積累奠定了堅實基礎。

但在玻璃基集成量子光學領域，中國與歐美存在明顯時差。意大利團隊此次使用的飛秒激光直寫玻璃光子芯片技術，國內浙江大學劉旭團隊、之江實驗室雖有布局，主要集中在經典光通信和光神經網絡。專門針對量子通信相干接收器的玻璃芯片研究，公開報道中尚未見此性能級別的突破。

飛秒激光直寫并非新技術，但將其推向量子通信工程化極限，需要光學設計、低溫封裝、高速電控的系統性整合。此次成果提示我們：量子通信的實用化不應押注單一材料。硅基適合大規模邏輯運算，玻璃基更適合前端信號接收和傳輸。中國需在保持硅基優勢的同時，加快玻璃、鈮酸鋰等多材料體系的量子器件研發，避免在工程化落地階段被材料多樣性卡脖子。

從實驗室的精密光學平臺到可部署的量子網絡，中間隔著材料科學的鴻溝。這塊玻璃芯片證明，有時候最傳統的材料，配上最精準的激光，反而能走出最實用的路徑。

Andrea Peri et al, "High-performance heterodyne receiver for quantum information processing in a laser-written integrated photonic platform," Advanced Photonics (2026). DOI: 10.1117/1.ap.8.1.016009