摘要：在量子科技的发展中，不同量子系统的“协同工作”始终是制约技术落地的核心难题。近日，荷兰代尔夫特理工大学的研究团队在《Optica Quantum》期刊发表重磅成果——他们成功研发出一种基于芯片的单声子定向耦合器，这款设备能精准拆分和路由量子信息的“载体”声子，
本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自eurekalert
设备可以帮助连接不同的量子系统，支持计算和安全通信的进步。
在量子科技的发展中，不同量子系统的“协同工作”始终是制约技术落地的核心难题。近日，荷兰代尔夫特理工大学的研究团队在《Optica Quantum》期刊发表重磅成果——他们成功研发出一种基于芯片的单声子定向耦合器，这款设备能精准拆分和路由量子信息的“载体”声子，为构建可扩展的混合量子网络填补了关键技术空白，让量子计算、安全通信的实用化进程迈出重要一步。
量子技术被视为下一代科技革命的核心驱动力，超导量子比特凭借高速运算能力成为量子计算的“主力军”，而基于自旋的量子系统则因超长稳定性，在量子信息长期存储领域独具优势。然而，这些性能互补的量子系统却如同“操着不同语言的孤岛”，彼此间难以实现高效的量子信息传输——超导系统的高频信号无法直接适配自旋系统的稳定存储需求，传统连接方案要么存在严重的信号损耗，要么设备体积庞大、难以集成，极大限制了量子技术的规模化应用。
为打破这一僵局，科研界将目光投向了“声子”——这种微观世界中的机械振动量子化单元，兼具“兼容性”与“可控性”双重优势。代尔夫特理工大学研究团队负责人Simon Gröblacher解释道：“声子就像量子世界的‘通用信使’，既能与超导量子比特的电信号耦合，也能与自旋系统的磁特性相互作用，天然适合作为不同量子系统的连接介质。”
但构建实用的“声子量子电路”，需要一套完整的芯片级组件：生成单声子的“源”、传输声子的“波导”、拆分声子的“分束器”以及检测声子的“探测器”。此前，声子源与波导已实现初步突破，但紧凑、高效的单声子分束器一直是缺失的关键环节——现有方案要么依赖开放的二维结构，导致声子传播距离受限（通常不足10微米），要么损耗率超过50%，无法满足量子信息传输的可靠性要求。
针对上述痛点，研究团队设计出一款集成化的四端口定向耦合器，其核心创新在于采用“声子晶体波导”结构，将高频（GHz量级）声子牢牢限制在硅芯片的纳米通道内，实现了量子级别的操控性能。
这款设备的结构设计极具巧思：整体基于单晶硅基底制作，通过高精度纳米光刻技术，在芯片表面刻蚀出周期性排列的微小“凹槽”，形成特殊的声子晶体结构。这些纳米结构如同“声波栅栏”，能将声子的振动能量约束在宽度仅数百纳米的波导通道中，有效减少了声子向周围环境的能量泄漏。设备共设有四个端口——两个输入端口用于接收声子信号，两个输出端口用于输出拆分后的信号，与光学通信中的定向耦合器原理相似，但尺寸缩小至传统光学器件的千分之一（整体面积不足0.1平方毫米）。
相较于传统方案，这款芯片级耦合器拥有三大核心优势：
• 低损耗与长寿命：声子晶体波导的约束效应，使声子的传播损耗降低至15%以下，寿命延长至微秒级——这意味着声子有足够时间完成复杂的干涉、路由操作，而不会因能量衰减导致量子态退化。
• 高集成与低串扰：GHz级声子的短波长特性，让波导通道可实现高密度排布（通道间距仅数微米），同时相邻通道间的串扰率低于3%，为大规模集成量子电路奠定基础。
• 可控拆分与量子兼容性：通过调整耦合区域的长度（从1微米到5微米不等），研究人员可精确控制声子在两个输出端口的能量分配比例，拆分比可在0:100到50:50之间连续调节。更关键的是，该设备可在10毫开尔文（接近绝对零度，约-273.14℃）的低温环境下稳定工作，与超导量子比特的运行条件完全兼容。
“我们的耦合器就像量子‘邮政系统’中的智能接线盒，”Gröblacher形象地比喻道，“它能将超导处理器生成的量子信息，以单声子的形式精准拆分、路由到自旋存储单元，或同时发送给多个量子节点，为构建灵活的片上量子网络提供了核心组件。”
为验证设备的性能，研究团队分两步开展了系统性测试。首先进行的是“经典声子波包测试”：他们通过脉冲激光在输入端口激发相干声子波包，利用超导纳米线探测器实时监测两个输出端口的信号强度。结果显示，随着耦合长度从1微米增加到3微米，声子能量在两个输出端口的分配比例从90:10平滑过渡到50:50，证明了拆分比的可控性；同时，声子在波导中往返传播10次后，仍能保持70%以上的信号强度，验证了低损耗特性。
在经典测试的基础上，团队进一步开展了“单声子量子态测试”：利用“声子预示方案”——即通过检测一个伴随声子的产生，来确认另一个声子的量子态——他们成功观测到单个声子在耦合器中的分裂过程。实验数据显示，当单个声子输入设备后，两个输出端口探测到单声子信号的概率符合量子力学的“分束器公式”，证明该设备能够对机械运动的量子化状态进行操控，而非仅仅处理经典的振动信号。
“这是首次在芯片上实现单声子的可控拆分，”论文第一作者A Zivari强调，“实验结果表明，我们的设备不仅能作为量子分束器，还可进一步拓展为量子路由器、干涉仪核心组件，为量子信息处理提供了全新的机械自由度。”
目前，研究团队已启动下一步研发计划：一方面优化制造工艺，通过改进纳米刻蚀的精度（目标将线宽误差控制在5纳米以内），进一步降低声子损耗；另一方面，计划将声子探测器、调制器等组件与耦合器集成，构建完整的“声子量子链路”，并尝试与超导量子比特、硅自旋量子点等系统进行对接。
Gröblacher指出，这款声子耦合器的长远价值，在于推动“混合量子网络”的实现——未来，基于声子的连接方案可将超导量子计算单元、自旋量子存储单元、光子量子通信单元整合在单芯片上，形成“计算-存储-通信”一体化的量子系统：超导比特负责高速运算，自旋系统负责长期存储，声子负责芯片内信息传输，光子则承担远距离通信任务，各组件各司其职、优势互补。
“就像光学分束器推动了现代光通信的发展，我们相信单声子定向耦合器将成为混合量子技术的核心组件，”Gröblacher展望道，“它不仅能助力研发更强大的量子计算机，还可用于构建高安全性的量子通信网络——声子的机械特性使其难以被窃听，且对环境干扰的敏感性可用于制作超灵敏传感器，在量子精密测量领域开辟新方向。”
随着芯片级声子器件的不断突破，量子技术正从“单一系统研发”迈向“多系统协同”的新阶段。这款小小的声子分离器，或许将成为打开混合量子网络大门的“金钥匙”，为量子科技的实用化之路点亮新的可能。
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来源：半导体产业纵横一点号
