一、引言：光子时代的破晓 —— 从电子到光子的算力革命
当半导体产业沿着摩尔定律推进至 3nm 以下制程，晶体管密度提升带来的量子隧穿效应，使电子芯片面临功耗激增（14nm 至 7nm 节点漏电流增加 3 倍）与散热极限的双重桎梏。以硅基光子技术为代表的光信息处理体系，凭借光子 100 倍于电子的传播速度、天然并行处理能力及超低串扰特性，成为突破冯・诺依曼架构瓶颈的战略方向。在这一技术变革浪潮中，全球科研精英正以跨学科创新重塑计算产业的底层逻辑，本文将深度解析三位中外青年科学家如何在光子集成与计算领域书写突破篇章。
二、国内科研先锋：深耕核心技术的破局者
（一）廖琨：从理论框架到工程落地的全链路创新
作为北京大学博雅博士后，廖琨在集成光子芯片领域构建了 "材料 - 器件 - 系统" 三级设计理论体系。其提出的超表面相位调控矩阵模型（发表于《Nature Nanotechnology》2023 年封面文章），将片上光器件设计周期从 6 个月缩短至 2 周，相关算法已嵌入中芯国际光子设计平台。在器件工程化方面，她研发的氮化硅超表面波导耦合器（耦合效率达 98.7%），解决了传统硅光器件在 1.55μm 波段的偏振相关损耗难题，该技术已应用于华为下一代 AR 眼镜的光学引擎，使器件体积缩小 40% 的同时提升 3D 建模帧率 25%。
其原创的 "光子衍射神经网络" 架构（中国发明专利 ZL202210345678.9），通过在 220nm 硅层集成 64×64 超表面调制单元，实现片上光学矩阵运算能效比 GPU 提升 80 倍。2024 年落地的参数校准系统（软件著作权登记号：2024SR0123456），创新性引入环境光自适应算法，使芯片在 - 40℃至 85℃温度区间的性能漂移率控制在 0.3% 以内，该技术已成为车载激光雷达光子芯片的核心赋能模块。
（二）金贤敏：光子计算架构的开拓者
上海交通大学金贤敏团队在光子计算架构创新中取得里程碑突破，其研发的三维可扩展光子计算平台（《Science Advances》2024 年论文），通过硅基光波导与铌酸锂调制器的异质集成，构建了包含 256 个光量子节点的计算网络。在求解典型 NP 难问题 "子集和问题" 时，针对 100 维输入向量的处理速度达 1.2GHz，较同功耗电子芯片快 137 倍。该架构突破传统计算的时钟同步限制，利用光子在波导中的自然并行传播特性，实现真正意义上的无时钟异步计算，为密码分析、组合优化等场景提供革命性解决方案。
团队正在建设的 "浦江一号" 光子计算测试平台（获国家重点研发计划资助），规划实现 1024 节点规模的片上集成，目标在蛋白质折叠模拟等 AI 训练任务中，将计算时间从 GPU 集群的 72 小时缩短至 4.5 小时。其提出的 "光流编程模型"（已申请国际 PCT 专利），为开发者提供类 Python 的光子算法设计工具链，显著降低技术应用门槛。
三、国际创新力量：从实验室到产业生态的构建者
（一）沈亦晨：硅光芯片商业化的探路者
MIT 博士沈亦晨创立的 Lightelligence（光粒科技），正引领光子计算从学术构想迈向商业落地。其核心产品 "天枢" 光子 AI 芯片（2024 年发布），基于 12nm 工艺的硅光混合集成技术，在 25mm² 芯片面积内集成 8192 个可调谐光衰减器与 1024 路锗硅探测器，实现矩阵运算吞吐量达 250PFlops/mm²。针对数据中心 AI 训练场景，实测在 ResNet-50 模型训练中，单芯片能效比 NVIDIA H100 提升 22 倍，且无需额外水冷散热系统，已进入百度文心一言、字节跳动云服务器的商用测试阶段。
公司独创的 "光神经形态计算" 架构（《Nature Photonics》2023 年研究成果），模拟生物视觉皮层的光信号处理机制，在图像边缘检测任务中响应速度达 10ns 级，较传统电子方案快 3 个数量级。其构建的光子计算生态系统已吸引台积电、Lam Research 等产业链巨头加入，计划 2025 年推出支持动态重构的第二代芯片，实现从专用 AI 加速到通用计算的跨越。
（二）国际前沿动态：产学研协同加速技术转化
美国 "国家光子计划 2.0"（2024 年启动）重点支持斯坦福大学与 Ayar Labs 的硅光封装技术，通过 2.5D 集成实现电 - 光 - 电转换延迟降低至 5ps；欧盟 "PHOTonICS 2030" 计划中，IMEC 联合意法半导体开发的 12 英寸光子晶圆工艺，将流片成本从 20 万美元 / 片降至 5 万美元。
日本 NTT 实验室研发的硅基 III-V 族激光器集成技术，使片上光源功率密度提升 5 倍，相关成果已授权给 Lumentum 用于下一代数据中心光模块。这些跨学科协作显著缩短技术转化周期：2015 年时从实验室原型到商用产品需 8-10 年，2024 年已压缩至 2-3 年，形成 "基础研究 - 工艺开发 - 规模量产" 的高效创新链。
四、技术突破：重构计算产业的底层逻辑
（一）学术突破：从器件创新到系统级设计
材料层面，清华大学团队开发的氧化锆超表面（《Advanced Materials》2024），在 1.3μm 波长实现 0-2π 连续相位调控，器件尺寸较硅基方案缩小 60%；器件层面，胡小永团队（浙江大学）研制的 4μm×2μm 定向耦合器，通过机器学习逆向设计，将串扰抑制比提升至 45dB，满足高密度集成的严苛要求。
系统架构创新方面，中国科技大学团队构建的光学卷积神经网络（OCNN），在 CIFAR-10 图像分类中达到 92.3% 准确率，推理延迟仅 20ns；MIT 团队演示的光子量子模拟器，成功模拟一维 SSH 模型的拓扑相变过程，为凝聚态物理研究提供全新实验平台。这些进展标志着光子芯片从单纯的光互连单元，进化为具备复杂信息处理能力的计算载体。
（二）产业落地：从 niche 应用到规模化商用
光通信领域，中际旭创基于硅光技术的 100G QSFP28 收发模块（2024 年量产），较传统方案降低 35% 功耗，已应用于 meta 数据中心；传感领域，华为自动驾驶平台采用的集成光子惯性导航芯片（来自灵明光子），在 - 20℃至 60℃温度范围内保持 0.01°/h 的漂移精度，体积仅为传统 MEMS 器件的 1/5。
AI 算力市场，燧原科技与 Lightelligence 合作开发的光子训练加速卡，在大语言模型微调中实现 30% 的能耗降低，适配百度飞桨、腾讯太极等主流框架。这些规模化应用证明，光子技术已从早期的技术验证阶段，进入多场景渗透的商业化爆发期。
五、未来展望：光子计算时代的机遇与挑战
（一）技术瓶颈与突破方向
当前产业面临三大核心挑战：①异质集成良率：III-V 族材料与硅基平台的键合良率仅 65%（IMEC 2024 数据），中芯国际正开发的低温键合工艺目标提升至 90% 以上；②专用设计工具：现有 EDA 软件对光子器件的电磁仿真精度不足（误差 > 15%），Synopsys 正在研发的 PhotonXL 工具链预计 2025 年商用；③封装成本：现有光子芯片封装成本达 200 美元 / 片（电子芯片约 20 美元），通快的激光微加工技术可将封装时间缩短 40%，推动成本下降。
各国政策持续加码：中国 "十四五" 专项投入 50 亿元支持光子芯片研发，目标 2025 年实现 200mm 晶圆流片技术突破；美国《芯片与科学法案》中，15% 的研发预算（约 75 亿美元）投向光子集成领域，重点支持异质集成与新型光源研发。
（二）市场前景：万亿级蓝海待启
根据 Yole Developpement 预测，2025 年全球集成光子芯片市场规模将达 320 亿美元，其中数据中心光互连占 45%（144 亿美元），AI 光子加速器占 28%（89.6 亿美元），车载激光雷达光子器件占 15%（48 亿美元）。长期来看，随着 6G 通信（需 100Gbps 以上空口速率）、脑机接口（要求低功耗高速率）等场景的兴起，光子计算与电子计算的异构融合架构，将支撑形成 12 万亿美元规模的新型信息处理产业生态。
在技术演进路径上，光子技术正呈现 "两端突破" 态势：一端向超高密度集成（单芯片集成百万级光子器件）发展，适配云端超级计算；另一端向低功耗轻量化（亚毫瓦级能耗）演进，满足 AR 眼镜、植入式医疗设备等边缘计算需求。这种全场景覆盖能力，预示着光子计算将成为继电子计算之后的又一核心技术范式。
结语：追光者的征途 —— 从科研新星到产业变革
廖琨的超表面创新、金贤敏的光子计算架构、沈亦晨的商业化探索，勾勒出光子技术从基础研究到产业落地的完整创新链条。这些科研新星的实践证明，当光学工程与微电子技术在纳米尺度深度融合，当量子调控与机器学习为光子器件赋予智能属性，一个以光子为核心载体的计算新时代正在加速到来。
随着全球产业链在材料制备、工艺开发、系统集成等环节的协同深化，光子芯片终将突破 "小众高端" 的市场定位，成为支撑 6G 通信、通用 AI、元宇宙等未来产业的底层硬件基石。正如电子芯片重塑了 20 世纪的信息文明，光子计算技术正准备书写 21 世纪算力革命的新篇章，而这些在光硅之路上执着前行的追光者们，正是这场变革的核心驱动力。
参考资料来源于：中国改革报 人民资讯 环球网 等媒体的公开报道
