纵观人类文明史，科技始终是一个国家、一个民族发展的不竭动力和生产力提升的关键因素。当前，我国经济已经由高速增长阶段转向高质量发展阶段，迫切需要科技创新做好“动力引擎”。量子技术通过量子态调控突破传统技术局限，是世界各强国竞相发展的科技前沿。随着科学研究的深入，量子技术与芯片的结合迸发出技术创新的新动力，量子芯片将会为未来科技带来革命性的进步。 清华大学电子工程系张巍教授二十年来致力于集成光量子器件及其量子信息应用的科研。他结合硅光子集成、微纳光电材料和光纤光学，通过“全光纤集成”和“硅光子集成”的技术路线发展光量子器件和光量子芯片，以此为基础推动量子通信、量子成像和量子网络的技术创新和实际应用。他在新型光量子器件方面开创性的工作有力推动了我国光量子信息技术向实用化发展。
逐梦科研 开拓创新 清华大学，是每一个莘莘学子梦寐以求的知识殿堂、象牙学府。1993年，张巍考入了无数人梦寐以求的清华大学，学习物理电子与光电子技术。此后的三十年，他在清华与科研结下了不解之缘。1998年，他本科毕业，开始攻读电子工程系研究生，师从彭江得教授从事长距离光通信关键技术研究。2003年获物理电子学博士学位后留校加入电子工程系微纳光电子学实验室，任教至今。 世纪之交，介观物理的蓬勃发展牵引出非常丰富的器件物理新概念与新机制。张巍敏锐预见了光电子技术的发展趋势，将研究方向定位在基于微纳光电材料与结构的新型光子器件，特别是光器件物理与量子信息的学科交叉。面向量子通信技术走向工程应用对实用化量子光源的迫切需求，张巍和团队以光纤纠缠量子光源为切入点，开始从事光量子器件的研究，走上了光量子信息技术及应用的科研道路。 张巍介绍说，光量子信息系统包含光量子态产生，操控和探测等关键物理功能。实现以上物理功能综合集成的新型光量子器件是光量子信息技术走向规模化和实用化的关键。在前期的研究工作中，他结合光子集成芯片技术和光纤光学研究与当代光纤网络兼容的光通信波段量子光源。进一步将硅光子集成芯片技术应用于光量子态的操控和探测，并将自主研制的光量子器件应用于发展量子通信，量子成像和量子网络新技术。通过集成光量子器件和量子集成系统的创新推动光量子信息技术的应用。 截至目前，张巍主持和参与了多项国家级和北京市科研项目。在取得一系列丰硕创新科研成果同时，他和团队建立起了完备的开展光量子器件和系统研究的实验平台，在器件设计、制备、测试和系统应用方面具备深厚的技术积累。通过多年的科研实践，张巍深切体会到光量子器件的研究与系统应用密不可分，器件的创新需要系统需求牵引，其价值也必须通过系统应用体现。在科研中他逐渐形成了注重将光量子器件的应用落到实处，通过集成光量子器件创新推动光量子信息系统发展的研究特色。 这样的研究特色在其四波混频量子光源方面的研究工作中得到充分的体现。张巍带领团队充分利用光纤光学和硅光子芯片技术创新发展四波混频量子光源，先后实现了高质量关联双光子、偏振纠缠、频率纠缠、能量-时间纠缠和超纠缠等多种复杂量子态的产生，形成光通信波段量子光源的完整解决方案，并实现实用化设备和产品转化。2016年，该技术以授权形式与珠海光库技术有限公司合作将光纤量子光源技术转化为产品，为光通信波段量子光源的发展做出了学术贡献，得到同行们的关注和认可。与此同时，张巍积极将研制成功的新型四波混频量子光源应用在实际量子通信科研系统，包括为城域网量子远程传态实验提供光纤量子光源，基于新型光纤纠缠量子光源首次实现了纠缠基量子安全直接通信（QSDC）的光纤传输实验，提出并实验论证了可以通过光纤长距离实现的时域量子鬼成像和量子安全鬼像等。这些研究利用四波混频量子光源的新特性推动光纤量子通信技术的创新，实践了他以器件创新支撑系统应用发展的思想。
放眼未来 领先世界 作为信息论与量子力学相结合的交叉学科，量子信息技术是信息科学与技术领域具有战略意义的前沿研究方向，也是世界各强国科技竞争的焦点。以光子作为量子信息的载体实现量子信息功能具有原理清晰、便于实现的特点，光量子信息技术引起普遍关注，近年来得到迅速发展。然而，随着研究的深入，传统的光物理实验技术成为制约光量子信息技术规模化拓展以及在实际环境中应用的重要瓶颈。借鉴经典光信息技术的经验，突破这一瓶颈需要技术创新实现光量子信息功能的集成化和芯片化。 芯片是信息技术的“基石”，关乎国家安全和国计民生。目前，中国芯片技术和产业与国际先进水平相比有较大差距，芯片国产化及自主可控成为中国科技发展的重要任务。张巍所在的清华大学电子工程系微纳光电子学实验室致力先进光子芯片研究，特别重视开发自主的光子芯片制备工艺。以他们的技术为依托，清华大学天津电子信息研究院高端光电子芯片创新中心运营团队——华慧芯科技集团为国内多家大学、科研院所和企业提供光子芯片工艺代工服务，走出了一条发展光子芯片技术、推动光子芯片应用的新路径。在此基础上，张巍利用自主先进光子芯片制备工艺研制的硅光量子芯片技术，实现了量子光源、光量子态操控和单光子探测的大规模综合集成，并应用于量子网络和光谱感知。 量子网络是量子通信技术的网络拓展。一方面，服务于经典通信的量子密钥分发和量子安全直接通信技术逐渐发展成熟，如何大规模组网是这些技术迈向实际应用必须要解决的问题。另一方面，随着量子计算研究的深入，实现量子计算机互联的量子态传送与组网也成为量子信息技术的研究热点。目前的研究中，大部分量子网络是由点对点的量子通信线路搭建而成，不易规模拓展。新近，张巍将硅光量子芯片技术应用于大规模量子网络研究取得了重要突破，采用单一硅波导量子光源无可信节点辅助的40用户全连接量子密钥分发网络，网络连接数达到780，为国际最好水平。进一步采用芯片集成量子光源阵列和片上量子干涉实现了24用户量子密钥分发网络的动态路由功能。这些工作为拓展量子网络规模，丰富量子网络功能提供了新思路。 微弱光的光谱感知在科学研究、环境监测、遥感遥测等重要领域均有着重要的应用。然而，目前光谱测量手段在单光子水平的微弱光条件下往往需要很长测量时间，无法测量和分析光谱的动态变化。针对这一问题，张巍和合作者共同发展了在硅光量子芯片的光学结构上集成超导纳米线单光子探测器的技术。以此为基础，张巍提出了一种结合超表面阵列与超导纳米线单光子探测阵列的重建式光子计数光谱仪方案。建立起超表面结构与超导纳米线的综合集成工艺完成了原型器件的制备，实验论证了其光谱探测和分析性能以及实现动态光谱重建的潜力。这项研究充分展现了光量子芯片技术在微弱光多维度光场信息感知方面的能力。在后续工作中，张巍将带领团队面向实际应用需求深入发展这一新技术，以器件创新推动光感知技术的发展为未来信息社会服务。 科研之路道远且阻，唯行则将至，长行而不辍。放眼未来，张巍将继续从光量子器件及其量子工程应用的科学问题出发，结合基于微纳尺度新结构和新材料研发新一代光量子功能器件和芯片，取得更多创新突破和实际应用，助推我国光量子信息技术引领世界、创造未来。
责任编辑：赵娜
