让量子“住”进芯片

想象一下，将量子传感的极致灵敏度，与成熟的微纳制造工艺相结合，把原本柜子大小的量子测量系统，微缩到指甲盖大小，甚至更小……这样的芯片级量子传感器，可植入巡检机器人，潜入地下精准“听”出管道泄漏；可集成到可穿戴设备中，实时、无创地描绘心磁图、脑磁图，提前预警心律不齐或癫痫风险。这不是科幻，而是正在发生的科技变革！

精密感知与日常生活密不可分，它藏在城市的地下管网里，藏在每个人的健康监测中，只是很多时候，我们未曾察觉它的困境与突破。现代城市地下数米深处，一旦水管网、天然气管道泄漏，不仅造成资源、能源浪费，更可能埋下安全隐患。但现有声波、压力探测设备，在复杂的地下环境中如同“戴着眼罩摸索”，难以精确定位致命裂缝。每一次误判，都意味着高昂的开挖成本、不必要的时间和资源消耗。

再看我们身边：人体会产生微弱的磁场信号，捕捉这份心磁、脑磁信号，就能提前预警疾病，实时监测心脏与大脑的健康状态。超导量子干涉仪虽能完成这个任务，却体积庞大，动辄上百万元，还需极低温环境加持，根本无法做成可穿戴设备，难以走进普通人的生活。

这指向了同一个核心困境——高精度感知技术如何打破实验室的“围墙”，深度融入我们的日常生活？答案，就藏在量子科技与芯片工程的交汇点——让量子“住”进芯片。

1.量子感知 改变世界

提到“量子”，很多人第一反应是“量子计算机”——能破解密码、颠覆算力。但量子科技还有另一条同样重要，甚至更早落地的赛道，它悄悄藏在手机的时间校准、医院的核磁共振、地质勘探的仪器里，改变着我们的生活——这就是量子感知。量子感知的探测精度远高于现有传感器，物理学家称其探测极限为“海森堡极限”，这是物理定律允许的最高精度。很多人以为量子感知是遥远的科幻，实则它已在我们身边运转了很多年，只是我们没有察觉。

第一个例子是原子钟。它是北斗、GPS、5G基站、电网调度都离不开的极其精准的时间基准。原子钟利用原子能级之间的稳定跃迁“计时”，百亿年误差不超过1秒，正是这份精准，支撑着现代社会的有序运转。第二个例子是超导量子干涉器。它的灵敏度极高，既能捕捉人体心脏产生的微弱磁场，也能用于地质勘探，寻找地下深处的矿藏或油气。它甚至能测量地质构造中因应力变化产生的微小磁异常——这是传统勘探手段根本无法实现的突破。第三个例子是磁共振成像。它用量子原理测量人体内氢原子核的“自旋”状态。通过射频激发、检测信号回波，它能将大脑、内脏的软组织、血管、病灶“画”出来，为疾病诊断提供精准依据。

2.性能惊艳 却也“娇贵”

量子感知的精度令人惊叹，但量子传感器很“娇贵”，想要走进日常生活，还面临着三个“拦路虎”：一是体积庞大。一台典型的原子磁力仪，往往要占据一整张光学平台。激光器、透镜、反射镜、真空腔、光电探测器……一套系统拼下来，像搭积木一样铺满半个实验室，根本无法方便携带。二是成本高昂。高精度量子感知离不开“精密伺候”——稳定的激光源用来操控原子状态，真空腔减少原子碰撞干扰，多层磁屏蔽隔绝环境磁场，再加上精密温控，一套系统的成本远高于一辆豪华轿车，普通场景根本难以承受。三是环境敏感。量子感知依赖的“量子态”，对环境极其敏感。实验室里，量子感知设备往往安装在减振平台上，周围是恒温恒湿、电磁屏蔽的“温室”；而外界的振动、温度变化，都会像“噪声”一样扰动量子态，导致“退相干”，让测量精度急剧下降。原子磁力仪就是典型例子：从物理原理上讲，它的灵敏度极限超过了医院用的超导量子干涉仪，还不需要极低温（液氦）环境，本应是下一代心磁、脑磁探测的理想选择。但现实是，它至今难以做成便携设备——想把激光器、原子气室、光电探测、温控系统都压缩到手持设备甚至可穿戴模块里，目前的技术水平还远未成熟。

量子感知深入走进我们的生活，探测系统需要完成从“分立元件搭建”到“芯片化集成”的关键一跃。

今天的自动化和智能电子产品都使用集成电路，绝大部分集成电路是硅做成的。硅是地壳含量第二大元素，是优秀的半导体材料，能与铝或铜形成良好的欧姆接触；硅氧化后形成二氧化硅，是最优质的绝缘体之一。半导体、金属、绝缘体通过光刻技术制备PN结和晶体管，成为芯片的上千亿个基本功能单元，完成难以想象的复杂功能。除了集成电路，手机里的加速度计和陀螺仪，也早已完成集成化：采用微机电系统（MEMS）技术，把机械结构和电路做在一块芯片上，成本低、体积小、可量产。

当前的量子感知系统还处在“集成电路发明之前”的阶段——各种功能模块都是分立的：激光器、原子气室、探测器等基本光机电部件靠光纤和机械支架拼在一起，既笨重又昂贵。只有当量子感知系统能像芯片一样被集成、被批量制造、被标准化封装，它才能真正从“实验精密仪器”，变成“生活中的常用工具”。

3.把大仪器压缩到指甲盖大小

让量子“住”进芯片。简单说，就是将原本占据一整张光学平台的量子感知系统，通过微纳制造工艺，压缩到指甲盖大小的芯片上。

第一步，微型原子气室：在硅片上为原子盖“公寓”。量子感知往往需要气体原子作为“探针”，比如铷原子、铯原子。传统设备中，这些原子被封装在玻璃气室里，需要专门的加热和磁场屏蔽装置。而芯片化的做法完全不同，利用制造手机麦克风、陀螺仪的微机电系统(MEMS)技术，直接在硅片上“刻”出一个个几毫米大小的微小空腔，这些空腔形状规整、表面光滑，就像为原子精心打造的“迷你公寓”。随后，在真空环境下将适量原子“灌”进去并密封，一个微型原子气室就做好了。

第二步，片上光源与探测：把激光器和“眼睛”也做进芯片。操控原子需要激光，芯片化的思路是，把激光器也做到芯片上。如今的技术，已经能在硅基材料上直接生长或键合微型半导体激光器，尺寸只有几百微米，功耗也大幅降低。这些“片上激光器”发出的光，通过芯片上刻出的“光线管道”（光波导），精准输送到原子气室所在的位置。同样，原子对光的吸收、透射或荧光发射，需要用探测器读取，而芯片化的探测器直接集成在硅片上，紧挨着原子气室，光信号一产生就能被捕获，几乎没有损耗。

第三步，片上量子态操控：用微波和光波导“指挥”量子。原子“准备”好后，还需要进一步操控，比如让它处于特定量子态，或测量它对外界磁场的响应，这通常需要外加微波场或射频场。在芯片上，研究人员用两种方式解决这个问题：一是片上微波传输线——在芯片表面制作精密的金属微带线或共面波导，通入微波信号后，会在原子气室位置产生局域、均匀的微波场，驱动原子能级跃迁；二是光波导操控，对于需要用光操控的量子态（比如某些固态色心），直接通过片上光波导将操控光送到目标区域，避免空间光路对准的麻烦。所有这些操控——激光的开关、微波的频率、信号的采集时序，最终都由同一块芯片上的控制电路统一协调，构成一块“量子系统级芯片”。它不再是一堆元件的拼凑，而是一个高度集成、可批量制造、低成本的完整系统。

这个过程，很像当年电子计算机的演变：第一台通用电子计算机ENIAC，占地170平方米、重30吨，用了18000个电子管，那时没人相信“计算机会走进每个人的口袋”。后来，晶体管取代了电子管，集成电路把成千上万个晶体管做到一块芯片上，计算机从房间大小，变成桌面大小、手掌大小，最终“住”进了我们的手机和手表。今天，量子感知正在经历类似的“集成化”变迁，只不过这次集成的不是晶体管，而是激光器、原子气室、光波导和量子态操控电路。

量子感知芯片正在离开大学实验室走进工厂。几个重要信号已经出现：一是成熟的以硅材料为核心的工艺线试产，一些芯片级原子钟的制造，已开始使用标准的MEMS代工厂产线，不再是教授带着博士生手工组装，而是光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备自动化生产；二是以二氧化硅（玻璃）为核心的超快激光加工技术走向工业应用，一套具有自主知识产权的立体光刻机可以完成纳米切割、焊接、钻孔、抛光和改性等全部芯片制备流程，完成气室、波导、电极等基本构架，由此实现的多种量子芯片正在为中国创造世界纪录；三是封装方案标准化，针对微型原子气室的真空封装、针对NV色心的光学窗口封装，已有企业推出标准化方案，封装成本从“每个样品数万元”向“每个芯片数百元”下降；四是测试设备起步，虽然行业标准尚未统一，但第一批专门用于量子传感器性能测试的自动化设备已经问世，从前需要人工搭建光学平台才能完成的测试，现在可用标准化的探针台和测试夹具快速完成。硅和二氧化硅两条技术路线齐头并进，封装和测试标准规范逐渐形成，正在助力量子感知芯片从实验室到工厂的跨越。

好消息是，这个跨越已经开始——虽然目前只覆盖了原子钟等少数成熟产品，但磁力仪、加速度计等其他类型的量子传感器，正在逐步跟进。芯片级原子钟的成功已经证明：量子感知芯片化这条路走得通。但更高性能、更广泛应用的第二代、第三代产品，还需要材料、工艺、封装、测试等多个领域的协同突破。量子感知芯片化，正处在“从原型到产品”的关键阶段。

4.“感知”从未被触及的信号

那么，高精度感知，究竟如何从实验室“走”进日常生活？当量子“住”进芯片，它不必那么“大”，可以很小；不必那么“娇贵”，可以很皮实。当原子气室被刻在硅片或玻璃片上，当激光器和探测器被集成到同一块衬底，当微波操控走线上印着光刻机的痕迹，量子，就不再是物理课本里抽象的概念，而变成了一颗可以贴片、可以量产、可以装进你口袋的芯片。

当这一天到来，量子感知芯片就会像今天的互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器一样普及，人类对世界的感知能力，将进入一个前所未有的维度。图像传感器让我们“记录”光，从可见光扩展到红外、紫外，从宏观到显微；而量子感知芯片，让我们“感知”到那些从未被感官触及的物理量：地球磁场万分之一的波动、神经元放电产生的微弱磁场、地下数米处管道泄漏的异常信号、心脏跳动时电流的微妙变化……这些信号一直存在，只是从前我们听不到、看不到、感觉不到。而芯片化之后的量子感知，将成为人类的“第六感”——不是超能力，而是工程技术的馈赠，它只依赖一颗在你手表、手机、头盔、城市管网里安静工作的量子感知芯片。

（作者：张建伟、孙洪波，分别系清华大学副教授；中国科学院院士、清华大学教授）

责任编辑：王梓辰

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