量子技术利用叠加和纠缠等现象，为计算、通信和传感等领域带来巨大变革。然而，这些先进技术在从实验室原型过渡到实际的现实世界系统时面临着重大挑战。最大的障碍之一是量子设备对环境干扰极其敏感，而其制造材料（如金属）往往会加剧这种影响。
利用3D打印陶瓷推进量子设备的发展
由费迪南德-布劳恩研究所的马克·克里斯特领导的研究小组提出了一种解决方案，即用 3D 打印陶瓷取代传统的金属外壳，从而使量子设备更加稳定和实用。克里斯特的研究强调了陶瓷的独特性能，例如电绝缘性、真空兼容性和热稳定性，这些性能使其成为量子设备的理想选择。陶瓷密度低，热膨胀性好，可减少可能损害设备性能的干扰。
克里斯特说：“这些特性使陶瓷能够最大限度地减少干扰，而干扰很容易破坏量子设备的性能。”这一转变有可能使量子设备更紧凑、更坚固，更适合实际应用。
克服传统陶瓷制造的挑战
虽然陶瓷在量子器件方面具有明显的优势，但传统制造方法限制了陶瓷的使用。生产量子器件的复杂小型组件通常需要使用金刚石工具进行昂贵的后处理，这既耗时又费钱。此外，传统的陶瓷制造很难制造出量子器件所需的复杂形状，尤其是对于操纵光来控制量子态的系统而言。
为了克服这些限制，克里斯特的团队探索了 3D 打印的使用。“在我们的研究中，我们是第一个在量子设备中使用 3D 打印陶瓷的人，”克里斯特解释说。3D 打印陶瓷部件的能力使生产精细、功能齐全的部件的速度比传统方法快得多，成本也低得多。
微型设备在量子传感方面取得突破
在《先进量子技术》杂志最近发表的一项研究中，克里斯特的团队应用 3D 打印技术制造出了一种用于量子传感的微型设备。该设备可以精确调整激光频率以匹配原子中两种量子态之间的跃迁，这是许多量子传感器的关键功能。传统上，这些传感器可以像微波炉一样大，但 3D 打印的陶瓷版本将尺寸缩小到几美分硬币大小，重量仅为 15 克。
顶部：CerAMRef 频率参考模块安装在珀尔帖元件上，使用 PEEK 螺钉进行隔热。PCB 与光电二极管和 Pt100 温度传感器电连接，配有运算放大器。底部：CAD 渲染图显示无多普勒 FMS 装置的光束路径，包括光纤准直器 (1)、PBS (2)、Rb 填充蒸汽室 (3)、板 (4)、镜子 (5)、聚焦透镜 (6) 和光电二极管 (7)。（图片来源：CerAMRef）
“重要的是，尽管系统小了很多，但仍然运行良好，”克里斯特指出。即使受到机械应力或热量的影响，设备中的光学对准仍保持稳定——这是许多量子应用的基本特征。
该团队的 3D 打印机逐层构建陶瓷部件，分辨率达到 40 微米（小于人的头发），精度极高。打印完成后，陶瓷部件在高温炉中烧制，使其具有传统陶瓷的强度和耐用性。
为现实世界的集成做好准备
这项研究最有希望的方面之一是 3D 打印陶瓷技术已准备好在实际系统中部署。“我们的光频率参考已准备好在实际系统中使用，”Christ 说。这些微型组件可以集成到需要稳定激光源的大型设备中，例如光波长计、量子传感器和量子计算机。3D 打印陶瓷的可定制性质还允许快速适应各种组件，为不同应用开辟了可能性。
克里斯特的团队还在开展其他几个项目，包括用于测量磁场的紧凑型原子磁力仪和用于冷原子的小型化光阱，可用于量子传感或作为量子计算机中的量子位。
微型、坚固的量子设备的未来
将 3D 打印陶瓷融入量子技术是让量子设备更接近日常应用的重要一步。通过使量子系统更便携、更耐用、制造成本更低，这项研究可以为量子计算、传感和通信领域的突破铺平道路。随着这些技术越来越普及，各行各业的创新可能性无穷无尽。
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