华中科大首创DNN衍射量子芯片登《Science Advances》：3D打印实现160μm³高维逻辑门
01 前言
华中科技大学王健/刘骏团队在《Science Advances》发表突破性研究，利用飞秒激光三维打印技术，制造出全球首个聚合物基超紧凑高维量子光芯片。该芯片仅160微米见方（约头发丝直径的1.5倍），却实现了光子空间模式的三维量子逻辑门操作，保真度高达90%。这项技术将传统量子设备体积缩小千倍，为光量子计算机的集成化迈出关键一步。
02 核心内容
1. 传统量子光学系统的局限
传统量子门（如基于空间光调制器SLM的系统）体积庞大、对准精度要求高，且需要持续供电，难以集成到小型化量子设备中。
光子的高维量子态（如拉盖尔-高斯模式）能编码更多信息，但实现高保真度的量子门操作一直是技术难点。
2. 创新解决方案：聚合物MPLC芯片
研究团队采用飞秒激光三维打印（TPP-FLDW）技术，在芯片上直接制造亚微米级三维结构，构建多平面光转换（MPLC）系统。
结合衍射神经网络（DNN）设计四层MPLC结构，实现高维量子门（如3D Hadamard门）的高效操作。
优势：芯片尺寸小（特征尺寸仅1.6微米）、无需外部电源、支持级联操作，比传统SLM方案体积缩小数十倍。
3. 实验验证：高保真度量子门
通过单光子源和量子过程层析技术，测得量子门保真度达90%，接近理论极限。
SEM表征显示芯片结构精度极高（层厚52.22微米，像素尺寸1.58微米），验证了制造工艺的可靠性。
03 研究意义
量子计算：高维量子门是高维量子计算的核心，该芯片为构建更强大的量子处理器提供了硬件基础。
量子通信：芯片的高集成度可提升量子密钥分发（QKD）的密钥率，增强信息安全。
未来方向：进一步优化结构精度，扩展至更高维量子门（如4D/5D），并推动光量子芯片的商业化应用。
PART.01 芯片结构设计图
基于TPP FLDW技术制备的DNN超紧凑三维集成量子门示意图
(A) 超紧凑DNN量子门结构
由四层衍射层构成，采用物镜将输入模式缩放到适宜尺寸并聚焦至输入层。
(B) TPP基FLDW加工设备
飞秒激光双光子聚合直写系统整体装置。
(C) 加工设备细节
油浸物镜浸入光刻胶中完成浸没式加工流程。
(D) DNN量子门三维模型
器件物理结构数字化呈现。
PART.02 DNN设计的相位板
DNN量子门训练集与结果
(A与B)训练集的强度与相位分布
强度图（A）与相位图（B）
单位：a.u.(arbitrary units，任意单位)
(C) 基于BPM的DNN模型训练所得相位板高度分布
PART.03 实验光路系统
物理DNN量子门的实验装置与表征
(A) 四层DNN量子门完整实验系统
包含四大模块：
单光子源：自发参量下转换光源
态制备：SLM调控量子态
量子门：衍射神经网络器件(dnnQD)
测量：投影测量与符合计数
核心光学元件：
Col.：准直器
PC1/PC2：偏振控制器
HWP：半波片
M1-M4：反射镜
MRA：直角反射镜（注：原文MRA应为直角反射镜）
L1-L6：透镜
Obj.1/Obj.2：物镜（20×）
SPD1/SPD2：单光子探测器
C.C.：符合计数模块
(B) DNN量子门工作原理细节
展示光在四层衍射结构中的传播路径与相位调制过程。
(C) DNN量子门实物图
玻璃基底上的聚合物器件（箭头标示160μm×160μm有效区域）。
(D-G) 加工器件的SEM表征
(D) 顶视电镜图（标尺：50μm）
(E) 斜视角微结构（标尺：20μm）
(F) 截面层间距测量（52.22μm）
(G) 像素局部形貌（像素尺寸：1.58μm）
PART.04 量子门性能验证
FLDW制备三维量子门的实验评估
(A与B) 理想输入态与实验输入态（CMOS相机捕获）
(A) 理论模拟输入态强度分布
(B) 实测输入态强度分布
(C与D) 模拟输出态与实验输出态（CMOS相机捕获）
(C) 理论模拟输出态
(D) 量子门作用后实测输出态
(E) 基于最大似然估计（MLE）的层析矩阵实验结果
量子过程矩阵的测量重构结果
(F) 三维H₁门重构过程矩阵χ的实部与虚部（保真度90.1%）
彩色柱：实验三维H₁门χ矩阵
空心框：理论三维H₁门χ矩阵
特殊标注：负值柱状图翻转显示（白边标识）
04 结语
从“跟跑”到“并跑”，中国团队正用AI+激光开辟量子芯片新赛道。当传统量子计算还在为“制冷费用”发愁时，这种室温运行、邮票大小的光量子芯片，或许将率先走进实验室甚至数据中心。正如论文通讯作者王健教授所说：“我们不仅造出了更小的量子门，更找到了一条通往未来的路。”
DOI： 10.1126/sciadv.adv5718
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