芯片集成相控阵实现非经典光量子态的无线接收与空间重构

研究人员开发了一种具有量子极限性能的片上相控阵系统，通过32通道硅基光电子集成实现了非经典光（如压缩光）的低损耗自由空间接收与操控。该系统集成了超构表面天线阵列和量子极限相干接收器，首次演示了32像素压缩光成像及可重构无线量子链路，为量子通信与传感网络提供了芯片级解决方案。

　　

量子信息技术在传感、通信和计算领域展现出革命性潜力，但现有量子系统多依赖有线连接，限制了其实际应用。正如经典信息技术从有线向无线的跨越催生了移动互联网革命，量子技术要实现类似突破，亟需发展无线量子链路的核心器件。传统相控阵虽能操控经典电磁波，但由于耦合损耗和噪声问题，始终无法与非经典光量子态兼容。

加州理工学院（California Institute of Technology）的Volkan Gurses团队在《Nature Communications》发表研究，通过创新设计将相控阵技术拓展至量子领域。他们研制出包含1000多个功能元件的32通道硅基光电子系统，首次实现压缩光的无线接收、多像素成像和空间重构，为建立实用化无线量子网络奠定基础。

研究团队采用三项关键技术：1）开发全填充超构表面天线阵列（MMA），通过50万个亚波长光栅单元实现550×550 μm²低损耗（3.82 dB）自由空间耦合；2）构建32通道量子极限相干接收器（QRX）阵列，单通道具备30.3 dB散粒噪声清除率（SNC）和3.70 GHz带宽；3）集成热光相位调制器（TOPS）和共模抑制比（CMRR）自校正电路，实现信号相干合成与实时校准。

量子相控阵理论验证
通过建立量子化电磁场与相控阵耦合的理论模型，证明阵列模式函数A(ρ)可重构入射量子态。当32个天线像素模式经相位(φ_j)和幅度(g_j)加权组合后，能恢复原始压缩态（理论压缩参数r=1.95），其Wigner函数在相空间呈现典型椭圆分布。

光电子系统性能表征

2芯片集成32个MMA和QRX'>
实验测得单通道QRX在1.54 mW本振功率下，中位SNC达26.6 dB，CMRR达90.2 dB。高频测试显示系统可解析5 GHz带宽的压缩真空涨落，验证了量子极限灵敏度。

压缩光空间成像

通过周期性极化铌酸锂波导（PPLN）产生1550 nm压缩光（16.9 dB理论压缩），系统成功解析各像素的压缩（ΔQ²_-）与反压缩（ΔQ²₊）方差，成像效率比传统设计提升10倍以上。

可重构量子链路

通过TOPS相位校准，系统实现0.2°波束宽度（32通道）和2.66°视场角的定向接收。当阵列波束指向压缩光源时，测得-0.064 dB压缩量；转向自由空间时，噪声功率回归真空起伏水平，证实空间选择性。

该研究突破性地将相控阵的时空操控能力引入量子领域。通过模块化设计，理论上可将孔径扩展至300 mm晶圆级，使大气中量子通信距离达39.2 km。当前系统15 dB总损耗主要源于离光源损耗，通过优化有望实现8.75 dB实测压缩量，为量子增强显微、LiDAR等应用开辟道路。研究建立的"自由空间-芯片"量子接口范式，或将推动无线量子网络走向实用化，其技术路线也为其他量子态（如纠缠态）的无线操控提供借鉴。