光子学投资——第三部分：三项颠覆性的光子技术
在本系列的最后一部分，我们将聚焦三项预计将成为未来高负载计算和通信系统必备的光子技术。在英伟达庞大的研究园区内，工程师们在一个恒温无尘室中，正努力解决一个可能定义下一个计算时代的问题：如何在芯片间移动光，而非电子，以消除人工智能超级计算机中日益增长的数据传输瓶颈。
几百英里外，在弗吉尼亚大学的实验室里，物理学家们正在准备压缩光态，以突破量子探测极限。在大西洋彼岸，欧洲的研究人员正精致地将量子点和纳米钻石集成到微观电路中，以完美的精度逐个将单一光子送入光纤。
虽然乍一看它们看似无关，但这些举措是光子学领域更大叙事的一部分。基于光的技术——长期用于电信和成像领域——正迅速发展成为未来计算、感测和安全通信系统的基础构建模块。这些不仅仅是边际改进，而是对现有方法的根本性转变，且仍处于脆弱的商业前阶段，风险虽高，但潜力巨大。
三项重要且雄心勃勃的技术
如今，有三项与光子学相关的技术最为突出且最具雄心：
人工智能和高性能计算中数据互联的联合光学
采用量子增强技术的超灵敏光学探测器
在电信波段工作的可扩展量子光子系统
这三种技术共同照亮了下一代数字基础设施的前进道路。
共包光学
2025年3月，英伟达在其年度GTC大会上做出了大胆举措：发布基于联合光学技术的Spectrum-X和Quantum-X交换机平台。这些设备将硅光子学直接嵌入交换硬件中，打破了传统上可插拔收发器和铜线连接的传统模式，这些传统长期以来一直是数据中心的限制因素。
英伟达表示，通过将硅光子学直接集成到交换机中，公司打算打破超大规模和企业网络的旧有局限，打开通往百万GPU人工智能工厂的大门。
挑战和机遇一样巨大。AI模型现在经常覆盖数十亿参数，分布在数千个GPU上。但这些GPU之间的互连——通常是铜线或效率低下的光纤链路——消耗大量电力，产生热量，并引入延迟。联合封装光学通过光线传输数据——在英伟达最新硬件中每个端口可达1.6太比特每秒——紧邻处理器本身，解决了这一问题。
英伟达光互连产品总监Ashkan Seyedi直言不讳地表示：“共封光学所带来的创新和节能效果，与您的封装方案、封装合作伙伴以及封装流程密不可分。”他的团队与台积电、Lumentum、Coherent等合作者合作，押注这项技术有望在功率效率上提升3.5×，同时减少最多75%的激光器数量。
不过，联合封装光学器件还不适合所有使用场景。即使是英伟达CEO黄仁森也承认，这项技术尚未成熟到可以直接在GPU芯片互连之间使用，且正逐步应用于网络交换机领域。但一旦在那个层级得到了证明，道路就很清晰了。未来的人工智能工厂——跨越整个仓库和城市——将不仅依赖电子，而是依靠光线运转。
量子光学
当英伟达的工程师们推动光子以加快数据传输速度时，弗吉尼亚大学的一组研究人员专注于比以往任何时候都更能感知最微弱的光线痕迹——有时甚至只有几颗光子。
在电气与计算机工程系徐毅副教授的领导下，一支由物理学家和工程师组成的团队启动了一项由DARPA资助的开创性项目。目标是建造能够将量子探测极限提升多达40倍的下一代光学探测器。
他们的方法依赖量子光学，尤其是压缩光——一种非经典光态，可以减少一个可观测点的量子噪声，但代价是另一个。结合先进的光子积分技术，压缩光能够使探测器能够以比传统系统更高的保真度从较弱信号中提取信息。
《Electro Optics》杂志今年早些时候报道：“我们采访了徐毅，他正领导DARPA资助的研究，力图将量子探测极限提升多达40倍。”团队还包括光电子领域的知名人物Andreas Beling和Joe Charles Campbell，以及跨学科合作网络的不断壮大。
他们的工作仍处于早期阶段，但其影响深远。超灵敏的探测能力有望革新广泛的应用领域——从基于太空的激光雷达和深空通信，到生物医学成像和量子密钥分发。本质上，只要光线微弱且珍贵，这些探测器就能决定噪声和信号的区别。
面临重大挑战：在压缩光态中保持相干性、在片上集成量子元件而不过度损耗、扩大制造工艺规模，以及管理紧凑系统中的热漂移。但如果成功，UVA团队的工作可能会重新定义我们用光检测和测量的底线。
量子互联网
与此同时，在量子领域，一个国际科学家网络正竞相构建量子互联网的基础要素——一个基于量子纠缠和单光子传输的通信系统，承诺实现根本无法被破解的加密和分布式量子计算。
其中一个主要工作是由欧洲的Paweł Holewa及其同事领导的团队，他们开发了基于确定性的量子点光子源，发射电信C波段（约1550纳米），该波段与现有光纤基础设施的频率范围相同。他们的设备通过外延生长和微腔工程产生高度纯度、无法区分的光子——这对量子干涉至关重要，实现了大规模集成。
另一个里程碑来自哈佛和麻省理工学院尼尔·辛克莱尔、米哈伊尔·D·卢金和马尔科·隆查尔的合作。他们展示了利用钻石腔中硅空位（SiV）中心并实现电信兼容频率转换的纳米光子量子存储节点。2023年，他们的系统实现了超过75公里光纤的远程纠缠，包括卷轴和活化城市光纤。
这些成就使远距离量子互联网的梦想更接近现实。但障碍依然令人望而生畏。光子损失、频率不匹配以及量子态的微妙特性使得这些系统的尺度化极为困难。确保光子不可区分且同步，同时在数公里噪声光纤中保持其量子态，是一项核心工程挑战。
尽管如此，研究人员仍然乐观。高纯度源、可靠的量子存储器和低损耗集成光子电路正在缓慢融合成一个相干平台。随着这些组件的改进和标准的出现，量子通信可能很快离开实验室，进入都市规模的部署。
这些技术是根本性的飞跃
这三项新兴技术——共封光学、量子增强探测器和可扩展量子光子学——不仅仅是速度、灵敏度或相干性的提升。它们代表了我们移动、感知和处理信息方式上的根本飞跃。虽然每个平台在扩展性、制造和集成方面都面临独特挑战，但它们的开发路径现在正在汇聚。
像英伟达的联合包装交换机这样更快的互连，如果没有同样先进的检测器，无法发挥全部潜力。除非采用高性能光源和超灵敏接收器，否则量子光子系统仍将被视为有限的奇观。它们共同提出了一个不仅更快、更高效的计算和通信系统愿景，而且在根本上更安全、更强大。
由于许多创新的商业可行性还需几年时间，下一阶段将涉及艰难的工程设计：降低成本、提升可靠性，以及顺利完成从原型到产品的过渡。但方向很明确。在不远的将来，我们的网络、计算机和传感器可能都依赖同一个以太的信使：光子。
在不远的将来光子终将成为万物互联的桥梁！ 三项颠覆性的光子技术 三项颠覆性的光子技术
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