量子感測器，新突破！

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多個行業有望受益於量子感測創新。

與傳統感測器相比，量子感測器的靈敏度大幅提升，甚至能夠實現全新的感測功能。預計多個行業將受益於量子感測創新，包括原子鐘、量子磁力儀、量子陀螺儀等。

然而，將量子感測器從實驗室原型轉化為商業產品需要最佳化其尺寸、重量、功率和成本（簡稱 SWaP-C）。正如 IDTechEx 最近的一份報告所探討的那樣，實現這一目標的最成功方法是儘可能多地在高度可擴充套件的半導體制造工藝中製造感測器。透過現在更高效地生產量子感測所必需的元件，那些融入價值鏈的半導體工廠將獲得最大的回報。

蒸汽室是許多量子感測器的核心

玻璃蒸汽室使雷射能夠與所含的原子氣體樣本相互作用。它們是使用原子干涉法的量子感測器的核心。這些感測器包括早期的量子射頻感測器、加速度計和陀螺儀，也包括更先進的晶片級原子鐘和 OPM（光泵磁力計）。蒸汽室的可擴充套件製造對於這些量子感測器的大規模生產至關重要。

吹制玻璃是製造蒸汽室的傳統技術，雖然吹制玻璃可用於微製造球形蒸汽室，但是其曲面會散射入射光，因此其製造尺寸的微小程度存在限制。

相反，在晶圓級半導體制造工藝中生產蒸汽室已經得到證實，並有可能為量子感測器批次生產高度規則的蒸汽室。該工藝涉及將每個單元腔蝕刻到玻璃晶片中，然後用原子物種填充該晶片，然後與另一個玻璃表面粘合以實現密封。該領域充滿了創新，包括使用替代玻璃、各種蝕刻和粘合技術以及保護或增強效能的薄膜塗層。

雷射技術的進步對於量子感測器至關重要

量子感測器中最常用的元件之一是雷射器。相干窄帶光對於操縱金剛石中的原子狀態和氮空位中心至關重要。然而，在降低雷射器尺寸和成本的同時，保持所需波長的穩定性和功率是一項艱鉅的任務。雷射技術的創新影響著量子技術以外的行業，包括電信、醫療裝置、雷射雷達等。

垂直腔面發射雷射器 (VCSEL) 是一種可在晶圓級上大規模製造的半導體雷射二極體。與傳統的邊發射半導體雷射器不同，VCSEL 會從晶片中直接發射出垂直於其頂面的光束。除了製造和測試方面的優勢外，這還允許將其他元件直接堆疊在 VCSEL 頂部，從而實現晶片級量子感測器。

儘管 VCSEL 發明於 20 世紀 70 年代末，但隨著 2010 年代末 VCSEL 在智慧手機中的應用，以及其在汽車紅外攝像頭和資料中心互連中的廣泛應用，近年來 VCSEL 的需求大幅增長。VCSEL 在其他應用中的普及直接惠及氣體雷射雷達等量子成像技術，這些技術也需要緊湊型聚焦 SWIR（900-1550nm）光源。

然而，用於原子量子感測器的 VCSEL 的要求略有不同。控制相關原子躍遷所需的波長通常在 700-900nm 範圍內，並且通常需要窄線寬和對環境變化的高穩定性。

儘管如此，微波晶片級原子鐘已經透過使用 VCSEL 和微加工蒸汽室成功實現量產。隨著量子感測市場的成熟，VCSEL 等晶片級雷射二極體將成為實現晶片級量子陀螺儀、加速度計和下一代原子鐘的關鍵。

諸如 Trumpf 等老牌公司以及 III-V Epi 和 ICS（整合化合物半導體）等衍生公司現已專門為量子感測市場開發了 VCSEL。將主要半導體工廠的能力與雷射技術的創新相結合將成為實現量子感測器商業化的關鍵。

雞和蛋的問題

量子感測器以及更廣泛的量子技術的專用元件面臨著一個反覆出現的問題：高昂的生產成本限制了最終產品的目標市場，這反過來又限制了生產規模的擴大以降低成本。

最近從研究中衍生出來的量子技術通常依賴於小批次製造專用元件，這些元件要麼在內部完成，要麼在當地研究機構完成。由於控制高度敏感的量子系統需要達到一定的精度，因此使用更便宜的現有元件通常不是一種選擇。

晶圓級蒸汽電池製造的最大障礙是實現量產所需的規模。目前，這種複雜、多階段工藝的小批次製造成本很高，而且蒸汽電池除了量子感測之外，還有相對小眾的應用。

為了解決這一問題，業界正在發起一些舉措，將產學研結合起來，支援新興量子技術的半導體制造發展。將生產設施集中到“量子代工廠”是一種更有效的解決方案，而促進量子行業內部的對話可以減少在內部開發元件上花費的資源，從而更快地實現可擴充套件生產。

市場前景和未來

透過蒸汽室和垂直腔面發射雷射器 (VCSEL) 製造方面的創新，原子鐘的晶片級微型化已經實現。例如，Microchip 自 2011 年以來使用這些元件實現了晶片級微波（銫和銣）原子鐘的商業化，為其他量子感測器向量產過渡提供了藍圖。

展望未來，半導體代工廠有機會成為量子感測器價值鏈中的關鍵參與者。現在投資降低量子感測器的製造成本，可以在不久的將來開啟更大的可進入市場。這些潛在市場源於對更好的感測解決方案的實際需求，包括計時、磁場（遠端電流）感測和慣性感測，這些都可以透過量子感測器實現。

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