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— 《进步者日报》编辑部 / La rédaction
50枚指甲盖大小的芯片，每枚包含10,000个光子电路，集成在一块杯垫大小的硅晶圆上。NIST的这项成果解决了量子计算机和原子钟被困在实验室的核心问题：高质量激光器只覆盖少数波长，而新兴量子技术需要更多颜色的激光。
NIST科学家及其合作者通过在硅晶圆上沉积复杂图案的专业材料，制造出用于光的集成电路。这些芯片有望让量子计算机和光学原子钟走出实验室，进入生物医学、导航和通信领域。
核心要点
- 50枚指甲盖大小的芯片，每枚含10,000个光子电路，集成在一块杯垫大小的晶圆上
- 产生量子技术所需波长的激光器体积庞大、成本高、能耗大，将相关技术困在少数专业实验室
- 光子集成电路市场预计从2026年的208.5亿美元增至2034年的864.4亿美元，年增长率20.8%
- 1.6太比特每秒光收发器已于2026年实现商业化，3.2T版本预计在本十年末推出
一枚芯片取代桌面大小的装置
光子在电路中的传输速度远快于电子。激光是控制光学原子钟、量子计算机等新兴量子技术的核心手段。但这些量子系统中体积最大、最敏感的部件是光学元件——包括多台激光器，以及隔振、温控的真空室，内含超稳定光学腔。这些腔体以极高精度稳定激光，用于控制捕获离子。
光纤作为光的传输管道，将芯片上产生的光导出芯片，供实验和应用使用。NIST科学家开发出一种多层光子芯片，结合硅、二氧化硅、铌酸锂和五氧化二钽，构建出多功能光操控平台。
这一微型化进程与更广泛的技术趋势一致。科学家展示了大幅缩小量子计算机尺寸所需的关键激光器和离子阱组件，其路径与20世纪70至90年代微处理器集成化的历程相似。量子计算当前的主流技术体积过大、过于复杂，难以规模化，也无法便携。
控制一个量子比特需要十二台激光器
量子微型化的挑战，核心在于激光问题的规模。使用铯中性原子的量子计算机需要12台激光器来产生六种颜色。每个量子比特需要多达十几台不同波长的激光器，而这些波长均非标准波长。这些激光器还必须满足最高等级的稳定性和线宽要求。
捕获离子系统需要激光束控制每个离子，所需激光束数量随离子数量线性增长。对于数十个量子比特的系统，这套方法运行良好。但若要扩展到数百万量子比特，就需要数百万束激光，且每束只能与对应的量子比特相互作用，难度极大。
目前有超过17种原子被用于各类量子应用，对应超过100种激光波长。为满足这些需求，业界采用了多种激光增益介质和架构。量子信息科学技术（QIST）行业仍处于早期阶段，面向该行业特殊需求的成熟激光供应链尚不存在。QIST系统开发者要么依靠中小企业的小批量、高成本定制，要么借用为其他应用开发的商用激光器。
原子钟仍局限于计量实验室
最精确的光学钟体积庞大，只存在于大型计量实验室。这使它们难以应用于空间有限的工厂，或其他需要原子钟提升GPS精度的工业场景。
2025年7月，NIST研究人员发布了一款基于捕获铝离子的光学原子钟，创下新的精度纪录。这款”量子逻辑钟”的系统不确定性达到约19位小数，比此前纪录提升41%。
但这些性能目前只能在实验室中实现。光学原子钟依托先进量子技术，目前主要以庞大复杂装置的形式存在于物理实验室。欧盟以技术准备水平（TRL）衡量技术成熟度：TRL-1代表基本原理已被验证，TRL-9代表产品在真实环境中正常运行。
AQuRA的前身iqClock联盟已将光学原子钟推进至TRL-5，即技术仍主要在受控实验室环境中运行。实际目标是：造出一台在整个宇宙年龄中累计误差不超过五秒的钟，同时能承受卡车颠簸运输，之后仍能正常工作。
2034年市场规模预计达864亿美元
全球光子集成电路市场预计从2026年的208.5亿美元增至2034年的864.4亿美元，年复合增长率20.80%。IDTechEx预测，面向数据通信和量子技术的光子集成电路与硅光子学市场到2036年将达500亿美元，年复合增长率21.9%。市场价值的大部分将来自基于PIC的光收发器，以满足高速数据处理和通信的需求。
电信和数据中心对更快传输速率的需求是市场增长的主要驱动力。5G网络扩展及未来6G过渡，需要光子学来处理大规模数据量和高速通信。
人工智能进一步拉动了需求。IDTechEx数据显示，英伟达最新H200服务器每个GPU需要约2.5个800G收发器。PIC收发器发展的最大驱动力是AI：高性能AI加速器将需要更高性能的收发器，3.2Tbps版本预计2026年到来。
走向扑克牌大小的量子计算机
NIST在《自然》杂志发表的论文展示了芯片上量子计算系统所需的关键稳定激光器组件，有潜力将量子计算硬件的部分体积从房间大小缩至扑克牌大小。这是量子计算可扩展性的关键一步，也为光学钟的便携化打开了通路。
要实现量子技术的可扩展性或便携性，激光系统必须全部集成在芯片上。如此，数百万量子比特才能集成在一枚芯片上——这在需要整间房间摆放激光器和光学器件的方案下根本无法实现。
Blumenthal团队采用的是一种可见光布里渊激光器，其频率噪声极低，量子操作性能优于传统激光器。这种芯片级布里渊激光器与第二枚芯片相连，该芯片内含集成线圈谐振器，用于将激光频率锁定在特定范围内。
下一个目标是完全集成：将离子阱芯片、激光芯片、光学腔芯片和其他光子器件合并在单枚芯片上。这种方案创建的连接与光纤本身同样稳固，使光子集成电路得以进入此前无法涉足的场所。
NIST光子电路正在重塑技术格局。合成DNA正让加密变得不可破解，量子计算则对现有密码学构成威胁。研究人员正在学习制造跨越多个应用领域的复杂多功能电路。目标很具体：用指甲盖大小的芯片取代桌面大小的装置，让最先进的量子技术走出实验室。
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