讓量子器件更簡單
——記清華大學電子工程系長聘副教授張巍

□ 劉婉茹

習近平總書記說過：“科技創新，不能等待觀望，不可亦步亦趨，當有只爭朝夕的勁頭。”如今，發展面向量子通信應用的光量子器件是國家重大需求，在這條道路上繼續探索挖掘，把自己所致力的科研問題搞清楚，做出更多實用化成果，便是張巍內心不變的理想與原動力。

張巍

物理定律不能單靠“思維”來獲得，還應致力于觀察和實驗。從普通人的視角看，量子科學似乎很遙遠、很枯燥，還很難懂，但科學家們卻從中發現了其隱藏的魅力，并通過細心的觀察與實驗推動著量子科學與技術的迅速發展，尤其是量子通信這一近20年發展起來的新型交叉學科，近年來已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的密切關注，在方方面面影響著我們的日常生活。

2017年，科技部等四部門聯合印發的《“十三五”國家基礎研究專項規劃》（下稱《規劃》）提出，“十三五”期間，著眼于更長遠的國家重大戰略需求，構建未來我國科技發展制高點，組織若干項基礎研究類重大科技項目，其中列出兩大項目：一是量子通信與量子計算機；二是腦科學與類腦研究。特別是在量子通信技術的發展中，光量子信息器件與系統研究更是其中必不可少的一環。為了突破關鍵光量子器件這一制約光量子信息技術走向實際應用的瓶頸，近年來，張巍的研究工作主要集中在借鑒光電子器件發展經驗，沿著“全光纖集成”和“全硅集成”的技術路線發展新型光量子信息器件和系統，不斷推動著光量子信息技術向實用化發展。

筑夢清華——放飛在量子世界的夢想

立德立言，無問西東，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電子工程系學士學位，通過免試推薦成為該系的博士研究生，師從彭江得教授開展研究工作，并于2003年7月畢業后，正式留校任教。可以說，清華是張巍科研夢想的發軔地，更是他延續科研理想的沃土。

在他人看來，張巍的科研人生是順風順水的，但殊不知，在科研道路的選擇上張巍也經過了一系列轉折。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工程應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域的學生一脈相承的研究之路相比顯得有點“特殊”。之所以轉入如今的科研方向，張巍直言這與導師對自己的影響有著莫大的關系。張巍的博士導師在光通信器件和設備研究中造詣頗深，針對2000年前后國內企業與學校研發能力的變革，他建議張巍在學校從事更多貼近學術前沿的研究工作。當時微納光電材料與結構的發展很快，從中牽引出非常豐富的器件物理新概念與新機制。預見這一發展趨勢，張巍的首要想法就是抓住器件物理與量子信息的學科交叉點，開展光量子信息新器件的研究。

2010年左右，張巍及其所在團隊找到了一個新的切入點——利用光纖來做糾纏的量子光源。“隨著量子通信技術逐漸走向工程應用，傳統的實驗室技術在工程環境中會出現很多問題，必須發展新的器件技術來滿足量子工程的要求。”張巍說。基于之前在光通信方面的研究基礎，張巍及其團隊成員希望能夠通過和光通信兼容的成熟技術從事光量子信息器件方面的研究，選用的材料包括光纖、硅光子學芯片等，瞄準量子通信應用開展相關探索。以此為起點，他們開始了在光量子信息技術研究道路上的探索之路。

不悔選擇——在光量子器件領域開拓、堅守

“在量子通信領域，電子工程學科背景的人其實參與得很少，大多數都是從事物理研究的科學家從學術的角度探索前行逐漸發展到科研應用層面。”張巍坦言。最開始的時候，他和團隊成員們也曾經歷過一段迷茫的時期，除了科研設備及科研條件的限制，他們還要學習更多的新概念和新技術。所幸的是，這些困難都未曾阻擋張巍團隊的求知欲與探索心，他們憑借扎實的科研基礎，一步步走出了困境，并取得了諸多創新性科研進展。

近年來，他們將研究方向集中于面向量子通信應用的光量子器件，重點關注實現關聯/糾纏雙光子量子態產生的量子光源。傳統上這類量子光源依賴晶體中二階自發參量下轉換實現，一般工作在800nm波段，由體光學器件搭建而成，需要精細的光路調整。盡管這類量子光源在各種量子光學實驗中廣泛使用，但是它對工作環境要求嚴格，難以器件化和集成化，不能滿足量子通信實用化發展需要。在這一現狀之下，張巍與團隊成員們以三階非線性波導中的自發四波混頻為物理機理，采用光纖和硅光子器件發展光通信波段的量子光源，以此為基礎突破若干量子通信方案的物理實現瓶頸，在此過程中，解決四波混頻量子光源的關鍵科學問題，發展出實用化設備實現成果轉化。

事實上，早在2009年張巍剛從事這一研究時，國際上已有光纖關聯雙光子和偏振糾纏雙光子產生的研究工作報道，但相關工作還處在研究物理特性，探索材料選擇和優化產生性能的基礎研究階段。這一技術能否克服光纖固有的高拉曼散射噪聲和偏振/相位不穩定，如何實現光量子信息應用所需的復雜量子態，是否有潛力發展成實用化量子光源設備等一系列問題尚待深入研究。

在這一并不明朗的研究現狀下，張巍團隊從材料選擇、測量方法和光纖環境3個方面提供了克服光纖量子光源噪聲的手段。他們充分應用光纖光學技術克服光纖中偏振/相位不穩定，實現了多種糾纏量子態的產生，論證了光通信波段光纖量子光源的完整解決方案。在學術研究的同時，他們還先后發展出三代光纖量子光源實驗樣機提供量子信息研究單位測試和實際使用。

與此同時，張巍團隊在國內率先開展基于硅光子器件中自發四波混頻的光通信波段量子光源研究。隨著研究進程的穩步行進，張巍及其研究團隊逐漸形成了“按需設計”的科研思想，即器件要根據系統的需要來進行設計。在從事光纖量子光源的研究過程中，光纖噪聲大、需要制冷才能在工程中應用的弊端逐漸顯露出來。與石英光纖相比，單模硅波導的三階非線性系數高5個量級，量子光源功能僅需毫米量級波導即可實現，支持芯片集成。另一方面，硅的自發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。從長遠來看硅波導量子光源從整體性能和工程應用上面將更有前景，這也給了張巍及其團隊工作人員更多的機遇與挑戰。從那時候開始，張巍團隊歷時4～5年的時間開展了對硅波導量子光源器件的相關探索，通過不斷攻關，如今他們已在硅波導量子光源上建立了完備的技術。

除此之外，作為國際上較早開始從事硅微環腔量子光源實驗研究的團隊，他們實現的雙光子產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和硅光子芯片技術先后實現了高質量關聯雙光子，可預報單光子、偏振糾纏、頻率糾纏、能量—時間糾纏和超糾纏等多種雙光子量子態的產生，形成了光通信波段四波混頻量子光源的完整解決方案。

科學研究的最終目標就是將研究成果落地生根。在量子光源器件技術的逐漸完備之下，張巍團隊決心將科研成果逐漸推向應用。因此，在2015年前后，張巍及其所在團隊開始著手與中科院上海微系統所等研究單位展開合作，在光纖量子光源設備研制和技術轉化方面的工作也得到同行們的關注和認可。除此之外，他們還結合目前的量子光源技術開展量子通信新協議和新方案研究，以此不斷拓展自身的科研工作，同時為光量子信息器件的發展提供新的應用牽引。

在實驗室

在循序漸進的探索與發展中，他們力圖利用自主發展的四波混頻量子光源突破量子通信的技術瓶頸。他們研究發展的四波混頻量子光源工作在光通信波段，與光網絡技術兼容且可以根據不同系統應用需要進行設計。在發展相關器件技術的同時，他們還將四波混頻量子光源應用到不同量子通信方案，從器件支撐的角度推動量子通信技術發展。目前，張巍已結合以往的科研成果發表第一作者和通信作者論文80余篇，以第一發明人授權發明專利7項，做國際會議邀請報告9次，研究工作得到了領域內廣泛的學術關注。

馬不停蹄——向下一階段的研究進發

我們所做的每一個選擇，都有可能成為人生的轉折點。回首過去，張巍很慶幸自己選擇進入量子信息領域。在前路迷茫之際，他很感謝自己的博士生導師能為自己指點迷津，讓他選擇了量子信息這一有長遠發展趨向的研究方向，事實證明這個選擇是正確的。

“當時，我所面臨的最大的困難恐怕就是要說服自己踏入量子信息研究領域。”張巍說，“我所從事的電子科學與技術學科是電子工程的物理基礎和硬件支撐。我們研究工作的最終目標是要將器件越做越小，使其功耗越來越低，沿著這一目標不斷追求，最終一定會遇到量子效應和量子現象。習慣上，我們總是想對此采取回避態度，選擇避免量子效應，按照原有的路線向前發展。但到了現在的階段，我們就會想怎樣利用量子效應做一些更有意義的事情。因此，從這一角度上來說，量子科學與技術可以說是從事電子和光電子器件研究的科研工作者的必經之路”。現如今，張巍所從事的研究工作與之前在光通信系統與器件、微納光電材料和集成、光學芯片等方向的科研經驗達到了完美結合，因此他在這條路上也走得愈加踏實并充滿動力。

科學研究的魅力就在于其會引領研究者產生更多的思考。在多年來光量子器件及其量子通信應用的科研實踐中，張巍深切體會到了器件與系統研究密不可分，光量子器件的發展需要系統需求牽引，其價值也必須通過系統應用體現。“在光量子信息領域，有相當豐富的工作處在從基礎研究到應用研究的過渡之中，各種技術并存、各類方案眾多，每一個方案對器件的要求不同，很難達到統一的指標，如想要體現所研發的光量子信息器件的價值，就必須將其用在系統上面。”張巍說。

在之前的工作中，張巍團隊主要面向光纖量子通信學術研究的需要采用光纖和硅光子器件發展光通信波段量子光源。“從電子工程學科的角度從事科研工作，研究者要意識到自己工程師的身份，不光要探究未知還要面向應用解決問題。”張巍說。在這之后，張巍希望能夠進一步將新型量子光源應用于解決量子通信技術向實際應用推進的關鍵技術瓶頸。

“師者，所以傳道授業解惑者也。”在對博士生進行科研引導時，他也希望能將自己的思想傳遞給每一位學生。在他看來，每一位博士生不光要意識到自己是一名學生，更要意識到自己是一位獨立的科研工作者，不管是在光量子通信系統層面還是光量子信息器件層面，他都希望學生們能夠勇于探索，做出更多面向實際應用的原創工作。

從事科學研究需要科研工作者守住初心，忍耐寂寞，更要有乘風破浪的勇氣。未來，張巍團隊也有著屬于自己的科研規劃，他們的研究方向將圍繞著高維量子態、量子網絡等幾個關鍵詞來展開。處在高維量子態的光子可以承載更多的信息，那么如何產生和操控這樣的高維量子態實現量子信息應用？在量子網絡層面，點對點的量子通信協議如何簡單方便地做到多用戶擴展？怎樣利用高維量子糾纏使量子網絡更高效，從而節省量子資源？在器件層面，能否開拓一條新的技術路線，打造全功能的光量子芯片的平臺技術，做一些真正有意義的應用？這些都是張巍團隊將要努力的方向。

前路任重而道遠，壓力也如影隨形。但在張巍看來，科學研究并不是一蹴而就的事情，就像他鐘愛的運動長跑一樣，只有熱愛與堅持才能引領研究走向最終的目的地。而他與團隊有信心也有恒心與耐力，在研究中不斷突破，向著目標沖刺、進發。