特约文章：硅光子技术在实现可用量子计算中的作用

由 CORNERSTONE 副主任 Professor Callum Littlejohns 和剑桥大学 (University of Cambridge) 光学工程副教授 Dr Amit Agrawal 撰写的客座文章

扩展能力是当今量子硬件面临的最紧迫问题之一，解决扩展挑战已成为政府重大投资背后的驱动力。这包括英国政府耗资 £2.5 billion 的量子战略——一项为期 10 年的计划，旨在部署世界上首批规模化量子计算机。

但要了解如何实现规模化量子系统，我们需要跳出量子学科，关注其他经过验证的技术。

在许多方面，量子的扩展挑战与之前其他行业面临的挑战相似：更大的系统需要更多的硬件，这意味着更高的复杂性。然而，量子系统的不同之处在于，系统的稳定性依赖于保护脆弱的量子态免受微小干扰以维持相干性，这增加了挑战的复杂性。硬件在不断发展，随着组件的增加，这种隔离变得越来越难维持。更不用说还会迅速遇到额外热量、延迟、对准复杂性和封装挑战等其他问题。

在 2026，硅光子学正成为构建可扩展量子系统的主要候选技术。它提供了集成芯片级电路，能够生成、操控、路由和读取量子比特，并将光传输到（以及可能从中收集光）以不同物理形式实现的量子比特中，例如光子、自旋、离子阱或中性原子。在这两种情况下，CMOS 行业数十年的证据表明，我们可以大规模制造具有极高精度的集成硅电路，这对于可扩展性至关重要。

为了保持势头，该行业的整体进展——及其支持量子扩展的能力——取决于基础设施，包括获得先进制造、快速原型设计和协调研究平台的机会。这种获取机会在不同国家之间存在差异，并可能对国家量子战略的成功产生重大影响。

硅光子学作为量子光学层

硅光子学是一种与量子比特形式无关的解决方案，能够支持依赖于高精度光学控制的离子阱、中性原子和光子量子比特等量子计算平台。离子阱系统利用电磁场限制单个离子，中性原子平台通过光镊控制原子，而光子方法则直接在光子本身的量子态中编码信息。基于自旋的平台，从半导体量子点到硅和金刚石中的色心，同样依赖精确的光学接口来进行初始化、读取和量子比特间的互连。在每种情况下，都必须提供具有精确空间对准、波长选择和稳定性的多束激光，以可靠地操控量子比特。例如，对大型中性原子阵列进行快速、特定位置的寻址，需要可以在微秒尺度内切换和调制的波束——这很难通过空间光束控制来维持，而是集成光子开关的天然角色。科学家们也在积极探索高效在片收集这些量子比特发出的光，这种能力将支撑高保真读取和处理器间的光子链路。随着量子比特数量的增加，这一点变得尤为重要。

硅光子学天然适合现有的半导体制造，具有 CMOS 兼容工艺，令人鼓舞的是，行业参与者已经开始押注这项技术。例如，PsiQuantum 正在利用硅光子学，通过标准半导体晶圆厂制造具有容错能力的百万量子比特量子计算机。与此同时，Photonic Inc. 正在开发硅基光连接自旋量子比特，这提醒我们，即使量子比特本身不是光子的，集成光子学也至关重要。