2026年6月1日——5月27日，德国图林根州批准了对为期三年的合作项目“单光子处理光子集成偏振分析模块 (PIC-PAM)”的资助，该项目由欧盟共同出资。合作方包括Quantum Optics Jena GmbH、AIM Micro Systems GmbH、X-FAB Global Services GmbH、弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所IOF、耶拿弗里德里希·席勒大学应用物理研究所，以及IMMS微电子与机电系统研究所非营利有限责任公司 (IMMS GmbH)。各方将在项目中将图林根州在光学与光子学领域的优势与微电子及传感器技术更紧密地结合起来。目标是通过集成光子学与量子通信的结合，实现重大创新突破，以增强德国信息通信技术光纤网络（特别是数据中心和园区网络）的网络安全。为此，图林根州光子学网络OptoNet e.V.的这六家成员单位旨在开发适用于常见网络硬件、成本较低的小型模块，并可轻松安装在安全关键位置。为此，光子和微电子功能将集成在单个硅芯片上：一个用于测量光子量子态的偏振分析模块、用于高灵敏度信号转换的单光子探测器，以及用于高分辨率时间戳记录和探测评估的电子器件。

未来通信基础设施的网络安全

即使在今天，保护敏感信息免受网络威胁也是重中之重，需要不断采用更新、更强大的安全措施来确保机密性并防止未经授权的访问。“可以预见，量子计算机将在未来几年内破解传统的加密方法，从而危及信息安全，”担任整体项目负责人的Quantum Optics Jena GmbH总经理Kevin Füchsel博士解释道。

Füchsel认为，基于纠缠的量子密钥分发是保障未来通信基础设施安全的一项有前景的技术：“可以在物理上保证安全的情况下生成和分发加密密钥，无论攻击者的计算能力有多强。”在量子通信中，传输的不是电信号，而是光子——单个光粒子——并且这些光子在其量子态上处于纠缠状态。信息通过单个光子的偏振进行编码。窃听，如同任何其他形式的干预，都会改变光子的状态。这使得攻击可以被检测到，从而能够采取有针对性的防护措施。据Füchsel介绍，量子密钥分发需要三个组件：用于检测光子状态的偏振分析、确保实际测量到单个光粒子的单光子探测器，以及用于同步发射器和接收器并过滤噪声的时间戳记录。

量子密钥分发——迄今为止，用于微小光子的大型硬件

为了将量子密钥分发的所有这些理论优势付诸实践，以在未来IT网络中广泛使用，这六家合作方正在共同开发一个微型化技术平台。“纵观目前在量子通信实验室设备中使用的众多光机械组件，很明显，量子密钥分发的微型化和光子集成既是重大挑战，也蕴含机遇，”弗劳恩霍夫IOF所长兼耶拿弗里德里希·席勒大学应用物理研究所主任Andreas Tünnermann教授在描述该项目时表示。他相信图林根州能够在这一领域发挥先锋作用：“我们在光学与光子学以及微电子与传感器技术方面都拥有多年积累的专业知识。通过强强联合，我们定能成功。”

AIM Micro Systems GmbH总经理Andreas Fischer博士补充道：“我们正致力于开发一种高度集成的解决方案，可以像小型SFP模块一样，轻松、灵活地部署在网络设备中。”为此，所有合作方都将致力于开发更紧凑、标准化且可工业化生产的组件。Fischer继续说道，组装和互连技术方面的挑战在于与整个系统的光子和电气连接。

硅芯片将在数毫米内集成所有功能

在该项目中，将开发一个完整的分析单元，作为一个单片集成电路，将光子和电子功能单元集成在仅数毫米大小的单个芯片上。

“我们将专门为量子密钥分发进一步发展我们的技术，并继续调整我们的CMOS工艺以制造光子集成芯片，”X-FAB Global Services GmbH首席执行官Gabriel Kittler博士解释道。这将使得未来能够在单个晶圆上加工光子和电子组件层。IMMS和弗劳恩霍夫IOF将利用X-FAB的这一技术平台，为联合芯片开发子系统。

弗劳恩霍夫IOF将负责实现芯片上基于氮化硅的光子组件的所有解决方案，例如微光学组件、偏振分析单元中的光处理（包括分束器），以及用于连接光子和电子电路以及从芯片到外部设备的光纤耦合的耦合器。所有光子模块的表征测试装置将在耶拿大学建立。

“所有旨在芯片电子层中实现的功能都将在IMMS开发，我们将集成尽可能多的功能——当今的多种分立元器件将被整合到未来的芯片中，”IMMS总经理Martin Eberhardt解释道。研究重点之一是基于SPAD的单光子探测器，这些探测器与现有的分立传感器一样，负责处理高灵敏度的信号转换，但将直接位于芯片内部。这些高灵敏度的单光子雪崩光电二极管 (SPAD) 将首次扩展为包含PIC-PAM项目中新开发的计时电子器件。Eberhardt补充说，与弗劳恩霍夫IOF合作，将IMMS现有的基于SPAD的解决方案转移到集成光子学支持的量子应用中，将尤其有前景。

适用于网络设备轻松安装的小型模块

为了确保这些创新芯片最终能够用于网络设备中类似SFP的小型模块，AIM Micro Systems将负责实施必要的组装和互连技术：AIM将组装芯片，安装外壳，并为光学和电子元件实现合适的连接，同时考虑工业适用性和制造技术。

在Quantum Optics Jena，将致力于创建一个能够利用SPAD可见光光子进行量子密钥分发的光子源。此外，该公司将基于所有合作方的开发成果，构建项目的整体演示器，以展示结果的可用性。

图林根制造 创新

“图林根州是德国微电子和光子学领域的领先中心之一。我们很高兴来自我们成员单位的六家高度创新的光子学公司，全部根植于图林根州，正在致力于集成光子学和量子通信领域的这一重大创新，”OptoNet e.V.总经理Anke Siegmeier表示。

此外，与作为区域半导体制造合作伙伴的X-FAB的密切合作以及当地研究机构的参与，将为图林根州带来显著效益。该地区将受益于向本地供应商和初创企业的技术和专有知识转移、价值链的加强，以及成果向跨行业应用的可转移性——其影响甚至可能超出图林根州。

资助

合作项目“单光子处理光子集成偏振分析模块” (PIC-PAM) 由图林根州促进研究、技术与创新资助计划 (RTI) 作为图林根联合会研发倡议提供支持，并由欧盟根据编号1006811共同出资。弗劳恩霍夫IOF的课题“用于PIC偏振分析模块的光子集成组件设计”则根据编号2026 VFE 0023获得资助。