光子集成电路的新前沿：材料革新如何解锁量子商业化应用
在这篇文章中，IDTechEx高级技术分析师Noah El Alami调查了量子技术如何推动对光子集成电路（PICs）新材料平台的兴趣。
光子集成电路（PICs）是在半导体晶圆上制造的光学系统，允许在芯片级器件上执行复杂的光学过程。PICs已实现了一系列应用，尤其是作为AI数据中心内高速通信的光收发器，它们被广泛用作跨服务器通信的骨干，以训练最复杂的机器学习模型。
目前大多数的PICs都是基于硅或二氧化硅，因为这些材料的制造技术最为成熟。然而，硅/二氧化硅的特性使其在量子技术领域的一些新兴应用中表现欠佳，甚至无法使用。因此，量子技术是推动对PICs新材料平台产生兴趣的前沿应用之一。在本文中，我们将深入探讨来自IDTechEx《量子技术材料》（Materials for Quantum Technologies）报告的见解，该报告预测到2046年，用于量子的PICs将成为一个126亿美元的市场机会。
为什么光子学与量子技术如此紧密交织？
光子学是涉及光产生和操纵的技术领域，而光子学的研究和使用长期以来一直与实验物理的前沿交织在一起：想想激光器、显微镜以及在实验室中占据整个房间的光学系统。
量子技术——涵盖量子计算、量子传感和量子通信——是一个很大程度上从实验物理研究中心和大学中衍生出来的商业技术分支。然而，随着量子技术从实验室走向市场，现实世界的产品不能再基于笨重的光学平台以及由许多独立激光器和透镜组成的脆弱系统。这就是PICs核心价值主张的体现——它们为量子技术提供了一条路径，将其复杂的光学系统缩小到坚固且可大规模制造的芯片上。
用光计算
例如，许多最先进的量子计算硬件方法都严重依赖光子系统，包括基于中性原子、陷阱离子或光子量子位的方法。在中性原子量子计算机中，以及在陷阱离子计算机中，复杂的激光系统、波导和摄像头被用来操纵和测量单个原子和离子——即这些机器中的“量子位”。由PsiQuantum、ORCA Computing和Quandela开发的光子量子计算机则更进一步，直接使用光子作为量子位本身。
因此，开发适用于这些应用的PICs对于这些厂商扩大量子计算规模至关重要。结果是，在过去的24个月里，主要的量子计算厂商对光子学公司进行了一系列收购。这些交易通常侧重于为这些量子计算公司带来专业知识和制造能力，以充实他们将理论和实验转化为商业产品所需的技能。
超越硅材料
硅和二氧化硅是半导体制造中最成熟的晶圆材料，但它们的某些特性与量子技术的需求匹配度较差。一个根本性的障碍是，硅在可见光范围内是不透明的，而量子技术的许多重要频率都处于这一范围，例如原子或固态自旋跃迁。此外，与通常将速度和高功率容量置于首位的数通应用不同，量子技术通常更关注实现极低的噪声和高稳定性，以保护脆弱的量子态。
这些不同的要求促使量子技术参与者尝试硅基平台以外的材料。具有合适特性的候选材料包括氮化硅（SiN），它在很大程度上与现有的硅基工艺兼容；或者是薄膜铌酸锂（TFLN）和钛酸钡（BTO），它们具有极高的电光系数，适用于极快的光调制。然而，TFLN和BTO的商业成熟度远低于硅光子学，受限于较小的晶圆尺寸、昂贵的价格，且只有少数代工厂能够处理这些材料。
量子技术PICs的市场前景
光子集成电路已经实现了数通、电信和激光雷达市场的高性能应用，但量子技术行业正在挑战PICs的极限。开发制造新材料平台高质量PICs的能力和供应链，将是陷阱离子、中性原子和光子量子计算，以及量子网络和网络安全等多类量子技术落地的关键。
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