讓量子器件更簡(jiǎn)單

劉婉茹

習(xí)近平總書(shū)記說(shuō)過(guò)：“科技創(chuàng)新，不能等待觀望，不可亦步亦趨，當(dāng)有只爭(zhēng)朝夕的勁頭?！比缃瘢l(fā)展面向量子通信應(yīng)用的光量子器件是國(guó)家重大需求，在這條道路上繼續(xù)探索挖掘，把自己所致力的科研問(wèn)題搞清楚，做出更多實(shí)用化成果，便是張巍內(nèi)心不變的理想與原動(dòng)力。

物理定律不能單靠“思維”來(lái)獲得，還應(yīng)致力于觀察和實(shí)驗(yàn)。從普通人的視角看，量子科學(xué)似乎很遙遠(yuǎn)、很枯燥，還很難懂，但科學(xué)家們卻從中發(fā)現(xiàn)了其隱藏的魅力，并通過(guò)細(xì)心的觀察與實(shí)驗(yàn)推動(dòng)著量子科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是量子通信這一近20年發(fā)展起來(lái)的新型交叉學(xué)科，近年來(lái)已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的密切關(guān)注，在方方面面影響著我們的日常生活。

2017年，科技部等四部門(mén)聯(lián)合印發(fā)的《“十三五”國(guó)家基礎(chǔ)研究專項(xiàng)規(guī)劃》（下稱《規(guī)劃》）提出，“十三五”期間，著眼于更長(zhǎng)遠(yuǎn)的國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，構(gòu)建未來(lái)我國(guó)科技發(fā)展制高點(diǎn)，組織若干項(xiàng)基礎(chǔ)研究類(lèi)重大科技項(xiàng)目，其中列出兩大項(xiàng)目：一是量子通信與量子計(jì)算機(jī);二是腦科學(xué)與類(lèi)腦研究。特別是在量子通信技術(shù)的發(fā)展中，光量子信息器件與系統(tǒng)研究更是其中必不可少的一環(huán)。為了突破關(guān)鍵光量子器件這一制約光量子信息技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的瓶頸，近年來(lái)，張巍的研究工作主要集中在借鑒光電子器件發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，沿著“全光纖集成”和“全硅集成”的技術(shù)路線發(fā)展新型光量子信息器件和系統(tǒng)，不斷推動(dòng)著光量子信息技術(shù)向?qū)嵱没l(fā)展。

筑夢(mèng)清華——放飛在量子世界的夢(mèng)想

立德立言，無(wú)問(wèn)西東，清華人的精神一直在影響著張巍近20載的科研歲月。1998年7月，張巍獲得了清華大學(xué)電子工程系學(xué)士學(xué)位，通過(guò)免試推薦成為該系的博士研究生，師從彭江得教授開(kāi)展研究工作，并于2003年7月畢業(yè)后，正式留校任教?？梢哉f(shuō)，清華是張巍科研夢(mèng)想的發(fā)軔地，更是他延續(xù)科研理想的沃土。

在他人看來(lái)，張巍的科研人生是順風(fēng)順?biāo)模獠恢?，在科研道路的選擇上張巍也經(jīng)過(guò)了一系列轉(zhuǎn)折。由于本科是電子工程的背景，博士期間，張巍也一直從事面向技術(shù)工程應(yīng)用的光纖通信方面的研究，這讓他與大部分量子信息與量子器件領(lǐng)域的學(xué)生一脈相承的研究之路相比顯得有點(diǎn)“特殊”。之所以轉(zhuǎn)入如今的科研方向，張巍直言這與導(dǎo)師對(duì)自己的影響有著莫大的關(guān)系。張巍的博士導(dǎo)師在光通信器件和設(shè)備研究中造詣?lì)H深，針對(duì)2000年前后國(guó)內(nèi)企業(yè)與學(xué)校研發(fā)能力的變革，他建議張巍在學(xué)校從事更多貼近學(xué)術(shù)前沿的研究工作。當(dāng)時(shí)微納光電材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展很快，從中牽引出非常豐富的器件物理新概念與新機(jī)制。預(yù)見(jiàn)這一發(fā)展趨勢(shì)，張巍的首要想法就是抓住器件物理與量子信息的學(xué)科交叉點(diǎn)，開(kāi)展光量子信息新器件的研究。

2010年左右，張巍及其所在團(tuán)隊(duì)找到了一個(gè)新的切入點(diǎn)——利用光纖來(lái)做糾纏的量子光源?！半S著量子通信技術(shù)逐漸走向工程應(yīng)用，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)在工程環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，必須發(fā)展新的器件技術(shù)來(lái)滿足量子工程的要求?！睆埼≌f(shuō)。基于之前在光通信方面的研究基礎(chǔ)，張巍及其團(tuán)隊(duì)成員希望能夠通過(guò)和光通信兼容的成熟技術(shù)從事光量子信息器件方面的研究，選用的材料包括光纖、硅光子學(xué)芯片等，瞄準(zhǔn)量子通信應(yīng)用開(kāi)展相關(guān)探索。以此為起點(diǎn)，他們開(kāi)始了在光量子信息技術(shù)研究道路上的探索之路。

不悔選擇——在光量子器件領(lǐng)域開(kāi)拓、堅(jiān)守

“在量子通信領(lǐng)域，電子工程學(xué)科背景的人其實(shí)參與得很少，大多數(shù)都是從事物理研究的科學(xué)家從學(xué)術(shù)的角度探索前行逐漸發(fā)展到科研應(yīng)用層面?！睆埼√寡浴Ｗ铋_(kāi)始的時(shí)候，他和團(tuán)隊(duì)成員們也曾經(jīng)歷過(guò)一段迷茫的時(shí)期，除了科研設(shè)備及科研條件的限制，他們還要學(xué)習(xí)更多的新概念和新技術(shù)。所幸的是，這些困難都未曾阻擋張巍團(tuán)隊(duì)的求知欲與探索心，他們憑借扎實(shí)的科研基礎(chǔ)，一步步走出了困境，并取得了諸多創(chuàng)新性科研進(jìn)展。

近年來(lái)，他們將研究方向集中于面向量子通信應(yīng)用的光量子器件，重點(diǎn)關(guān)注實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)/糾纏雙光子量子態(tài)產(chǎn)生的量子光源。傳統(tǒng)上這類(lèi)量子光源依賴晶體中二階自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，一般工作在800nm波段，由體光學(xué)器件搭建而成，需要精細(xì)的光路調(diào)整。盡管這類(lèi)量子光源在各種量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中廣泛使用，但是它對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)格，難以器件化和集成化，不能滿足量子通信實(shí)用化發(fā)展需要。在這一現(xiàn)狀之下，張巍與團(tuán)隊(duì)成員們以三階非線性波導(dǎo)中的自發(fā)四波混頻為物理機(jī)理，采用光纖和硅光子器件發(fā)展光通信波段的量子光源，以此為基礎(chǔ)突破若干量子通信方案的物理實(shí)現(xiàn)瓶頸，在此過(guò)程中，解決四波混頻量子光源的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，發(fā)展出實(shí)用化設(shè)備實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。

事實(shí)上，早在2009年張巍剛從事這一研究時(shí)，國(guó)際上已有光纖關(guān)聯(lián)雙光子和偏振糾纏雙光子產(chǎn)生的研究工作報(bào)道，但相關(guān)工作還處在研究物理特性，探索材料選擇和優(yōu)化產(chǎn)生性能的基礎(chǔ)研究階段。這一技術(shù)能否克服光纖固有的高拉曼散射噪聲和偏振/相位不穩(wěn)定，如何實(shí)現(xiàn)光量子信息應(yīng)用所需的復(fù)雜量子態(tài)，是否有潛力發(fā)展成實(shí)用化量子光源設(shè)備等一系列問(wèn)題尚待深入研究。

在這一并不明朗的研究現(xiàn)狀下，張巍團(tuán)隊(duì)從材料選擇、測(cè)量方法和光纖環(huán)境3個(gè)方面提供了克服光纖量子光源噪聲的手段。他們充分應(yīng)用光纖光學(xué)技術(shù)克服光纖中偏振/相位不穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了多種糾纏量子態(tài)的產(chǎn)生，論證了光通信波段光纖量子光源的完整解決方案。在學(xué)術(shù)研究的同時(shí)，他們還先后發(fā)展出三代光纖量子光源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)提供量子信息研究單位測(cè)試和實(shí)際使用。

與此同時(shí)，張巍團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展基于硅光子器件中自發(fā)四波混頻的光通信波段量子光源研究。隨著研究進(jìn)程的穩(wěn)步行進(jìn)，張巍及其研究團(tuán)隊(duì)逐漸形成了“按需設(shè)計(jì)”的科研思想，即器件要根據(jù)系統(tǒng)的需要來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在從事光纖量子光源的研究過(guò)程中，光纖噪聲大、需要制冷才能在工程中應(yīng)用的弊端逐漸顯露出來(lái)。與石英光纖相比，單模硅波導(dǎo)的三階非線性系數(shù)高5個(gè)量級(jí)，量子光源功能僅需毫米量級(jí)波導(dǎo)即可實(shí)現(xiàn)，支持芯片集成。另一方面，硅的自發(fā)拉曼散射譜很窄便于濾除，因此硅量子光源噪聲低且支持室溫工作。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看硅波導(dǎo)量子光源從整體性能和工程應(yīng)用上面將更有前景，這也給了張巍及其團(tuán)隊(duì)工作人員更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。從那時(shí)候開(kāi)始，張巍團(tuán)隊(duì)歷時(shí)4～5年的時(shí)間開(kāi)展了對(duì)硅波導(dǎo)量子光源器件的相關(guān)探索，通過(guò)不斷攻關(guān)，如今他們已在硅波導(dǎo)量子光源上建立了完備的技術(shù)。

除此之外，作為國(guó)際上較早開(kāi)始從事硅微環(huán)腔量子光源實(shí)驗(yàn)研究的團(tuán)隊(duì)，他們實(shí)現(xiàn)的雙光子產(chǎn)生率和噪聲特性處于最好水平之列。在研究中，他們充分利用光纖光學(xué)和硅光子芯片技術(shù)先后實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量關(guān)聯(lián)雙光子，可預(yù)報(bào)單光子、偏振糾纏、頻率糾纏、能量—時(shí)間糾纏和超糾纏等多種雙光子量子態(tài)的產(chǎn)生，形成了光通信波段四波混頻量子光源的完整解決方案。

科學(xué)研究的最終目標(biāo)就是將研究成果落地生根。在量子光源器件技術(shù)的逐漸完備之下，張巍團(tuán)隊(duì)決心將科研成果逐漸推向應(yīng)用。因此，在2015年前后，張巍及其所在團(tuán)隊(duì)開(kāi)始著手與中科院上海微系統(tǒng)所等研究單位展開(kāi)合作，在光纖量子光源設(shè)備研制和技術(shù)轉(zhuǎn)化方面的工作也得到同行們的關(guān)注和認(rèn)可。除此之外，他們還結(jié)合目前的量子光源技術(shù)開(kāi)展量子通信新協(xié)議和新方案研究，以此不斷拓展自身的科研工作，同時(shí)為光量子信息器件的發(fā)展提供新的應(yīng)用牽引。

在循序漸進(jìn)的探索與發(fā)展中，他們力圖利用自主發(fā)展的四波混頻量子光源突破量子通信的技術(shù)瓶頸。他們研究發(fā)展的四波混頻量子光源工作在光通信波段，與光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兼容且可以根據(jù)不同系統(tǒng)應(yīng)用需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。在發(fā)展相關(guān)器件技術(shù)的同時(shí)，他們還將四波混頻量子光源應(yīng)用到不同量子通信方案，從器件支撐的角度推動(dòng)量子通信技術(shù)發(fā)展。目前，張巍已結(jié)合以往的科研成果發(fā)表第一作者和通信作者論文80余篇，以第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)，做國(guó)際會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告9次，研究工作得到了領(lǐng)域內(nèi)廣泛的學(xué)術(shù)關(guān)注。

馬不停蹄——向下一階段的研究進(jìn)發(fā)

我們所做的每一個(gè)選擇，都有可能成為人生的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?；厥走^(guò)去，張巍很慶幸自己選擇進(jìn)入量子信息領(lǐng)域。在前路迷茫之際，他很感謝自己的博士生導(dǎo)師能為自己指點(diǎn)迷津，讓他選擇了量子信息這一有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨向的研究方向，事實(shí)證明這個(gè)選擇是正確的。

“當(dāng)時(shí)，我所面臨的最大的困難恐怕就是要說(shuō)服自己踏入量子信息研究領(lǐng)域?！睆埼≌f(shuō)，“我所從事的電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科是電子工程的物理基礎(chǔ)和硬件支撐。我們研究工作的最終目標(biāo)是要將器件越做越小，使其功耗越來(lái)越低，沿著這一目標(biāo)不斷追求，最終一定會(huì)遇到量子效應(yīng)和量子現(xiàn)象。習(xí)慣上，我們總是想對(duì)此采取回避態(tài)度，選擇避免量子效應(yīng)，按照原有的路線向前發(fā)展。但到了現(xiàn)在的階段，我們就會(huì)想怎樣利用量子效應(yīng)做一些更有意義的事情。因此，從這一角度上來(lái)說(shuō)，量子科學(xué)與技術(shù)可以說(shuō)是從事電子和光電子器件研究的科研工作者的必經(jīng)之路”?，F(xiàn)如今，張巍所從事的研究工作與之前在光通信系統(tǒng)與器件、微納光電材料和集成、光學(xué)芯片等方向的科研經(jīng)驗(yàn)達(dá)到了完美結(jié)合，因此他在這條路上也走得愈加踏實(shí)并充滿動(dòng)力。

科學(xué)研究的魅力就在于其會(huì)引領(lǐng)研究者產(chǎn)生更多的思考。在多年來(lái)光量子器件及其量子通信應(yīng)用的科研實(shí)踐中，張巍深切體會(huì)到了器件與系統(tǒng)研究密不可分，光量子器件的發(fā)展需要系統(tǒng)需求牽引，其價(jià)值也必須通過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用體現(xiàn)。“在光量子信息領(lǐng)域，有相當(dāng)豐富的工作處在從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的過(guò)渡之中，各種技術(shù)并存、各類(lèi)方案眾多，每一個(gè)方案對(duì)器件的要求不同，很難達(dá)到統(tǒng)一的指標(biāo)，如想要體現(xiàn)所研發(fā)的光量子信息器件的價(jià)值，就必須將其用在系統(tǒng)上面。”張巍說(shuō)。

在之前的工作中，張巍團(tuán)隊(duì)主要面向光纖量子通信學(xué)術(shù)研究的需要采用光纖和硅光子器件發(fā)展光通信波段量子光源?！皬碾娮庸こ虒W(xué)科的角度從事科研工作，研究者要意識(shí)到自己工程師的身份，不光要探究未知還要面向應(yīng)用解決問(wèn)題?！睆埼≌f(shuō)。在這之后，張巍希望能夠進(jìn)一步將新型量子光源應(yīng)用于解決量子通信技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

“師者，所以傳道授業(yè)解惑者也?！痹趯?duì)博士生進(jìn)行科研引導(dǎo)時(shí)，他也希望能將自己的思想傳遞給每一位學(xué)生。在他看來(lái)，每一位博士生不光要意識(shí)到自己是一名學(xué)生，更要意識(shí)到自己是一位獨(dú)立的科研工作者，不管是在光量子通信系統(tǒng)層面還是光量子信息器件層面，他都希望學(xué)生們能夠勇于探索，做出更多面向?qū)嶋H應(yīng)用的原創(chuàng)工作。

從事科學(xué)研究需要科研工作者守住初心，忍耐寂寞，更要有乘風(fēng)破浪的勇氣。未來(lái)，張巍團(tuán)隊(duì)也有著屬于自己的科研規(guī)劃，他們的研究方向?qū)@著高維量子態(tài)、量子網(wǎng)絡(luò)等幾個(gè)關(guān)鍵詞來(lái)展開(kāi)。處在高維量子態(tài)的光子可以承載更多的信息，那么如何產(chǎn)生和操控這樣的高維量子態(tài)實(shí)現(xiàn)量子信息應(yīng)用？在量子網(wǎng)絡(luò)層面，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子通信協(xié)議如何簡(jiǎn)單方便地做到多用戶擴(kuò)展？怎樣利用高維量子糾纏使量子網(wǎng)絡(luò)更高效，從而節(jié)省量子資源？在器件層面，能否開(kāi)拓一條新的技術(shù)路線，打造全功能的光量子芯片的平臺(tái)技術(shù)，做一些真正有意義的應(yīng)用？這些都是張巍團(tuán)隊(duì)將要努力的方向。

前路任重而道遠(yuǎn)，壓力也如影隨形。但在張巍看來(lái)，科學(xué)研究并不是一蹴而就的事情，就像他鐘愛(ài)的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)跑一樣，只有熱愛(ài)與堅(jiān)持才能引領(lǐng)研究走向最終的目的地。而他與團(tuán)隊(duì)有信心也有恒心與耐力，在研究中不斷突破，向著目標(biāo)沖刺、進(jìn)發(fā)。