1. 引言
量子技术的发展有望在计算、通信、传感和基础物理领域带来革命性进步。然而，从实验室原型机过渡到便携式、可实际应用的仪器，需要实现小型化、鲁棒性和降低功耗——这些要求统称为SWAP（尺寸、重量和功耗）。增材制造（或称3D打印）成为实现这一过渡的关键赋能技术。本综述综合了增材制造在量子光学、光力学、磁性组件和真空系统中的当前应用，重点阐述了其在为下一代量子设备制造复杂、定制化和集成化硬件方面的关键作用。
2. 增材制造在量子光学中的应用
增材制造能够制造传统方法难以或无法生产的复杂光学组件。这对于需要精确操控光线的量子系统至关重要。
2.1. 波导与光学元件
双光子聚合等技术允许在整体结构内直接写入低损耗光波导和微光学元件（透镜、分束器）。这降低了对准复杂度并提高了系统稳定性。
2.2. 集成光子电路
增材制造促进了无源光学电路与有源元件或机械安装座的集成。对于量子密钥分发系统而言，这意味着可以实现紧凑、无需对准的发射/接收模块。
3. 增材制造在光力学与磁性组件中的应用
利用增材制造的设计自由度，可以制造与量子系统接口的轻量化、结构高效的组件。
3.1. 机械阱与安装座
离子阱和原子芯片安装座受益于增材制造能够创建具有内部冷却通道或真空接口的复杂几何结构的能力，从而改善了热管理和集成度。
3.2. 磁场整形组件
软磁复合材料的增材制造或导电线路的直接打印，使得能够为原子传感器和NV中心磁力计中的精确磁场生成，制造定制的线圈和磁屏蔽。
4. 真空与低温系统
增材制造正在革新真空腔室的设计。采用铝或钛等金属的激光粉末床熔融技术，可以制造出轻量化、密封性良好、集成有馈通件、光学窗口和支撑结构的腔室，从而大幅减少量子传感器封装件的体积和质量。
5. 技术细节与数学框架
增材制造组件在量子系统中的性能通常取决于材料特性和几何精度。例如，增材制造波导的表面粗糙度 $R_a$ 对光学散射损耗有决定性影响，且损耗与粗糙度成正比。由3D打印线圈产生的磁场 $\vec{B}$ 可以使用毕奥-萨伐尔定律建模，并在复杂的线圈路径 $d\vec{l}$ 上进行积分：$\vec{B} = \frac{\mu_0}{4\pi} I \int \frac{d\vec{l} \times \vec{r}}{|r|^3}$。增材制造允许优化 $d\vec{l}$ 以获得磁场均匀性，这是原子传感器的一项关键要求。
6. 实验结果与性能
图1（概念图）：增材制造对量子技术设备的益处。 此图通常会对比传统制造与增材制造系统。它可能并列展示：一个由众多部件组装而成、体积庞大的实验室原子钟，与一个紧凑、整体式增材制造的真空封装件，后者包含集成光学元件和离子阱电极。图中将突出显示的关键指标包括：体积减少 >80%，部件数量减少 >60%，以及相当或更优的真空稳定性和阱频率稳定性。
文献中引用的具体结果包括：增材制造的超高真空腔室达到低于 $10^{-9}$ mbar 的压强，以及基于聚合物的波导在电信波长下表现出低至 0.3 dB/cm 的传播损耗，适用于量子光子集成。
7. 分析框架：案例研究
案例：冷原子重力仪的小型化。 传统的重力仪使用复杂的激光系统、磁线圈和大型玻璃真空室组装而成。
- 问题分解： 识别适合增材制造集成的子系统：(a) 真空腔室，(b) 磁线圈组，(c) 光学面包板/安装座。
- 增材制造技术选择：
- (a) 真空腔室：采用AlSi10Mg材料的激光粉末床熔融技术，制造轻量化、兼容超高真空的结构。
- (b) 线圈：在3D打印的陶瓷基底上，使用银纳米颗粒浆料进行直接墨水书写，形成共形线圈。
- (c) 安装座：采用玻璃填充尼龙的选择性激光烧结技术，制造刚性、轻量化的光学平台。
- 面向增材制造的设计： 对腔室壁应用拓扑优化，在保持刚度的同时最小化质量。使用磁场模拟软件设计线圈路径，以最大化磁场均匀性。将运动学安装特征直接集成到光学平台的打印设计中。
- 性能验证： 关键指标：腔室本底压强（< $1\times10^{-9}$ mbar）、线圈电流密度（最大值 $J_{max}$）、平台共振频率（> 500 Hz）以及最终重力仪灵敏度（目标：$\sim 10^{-8}$ g/√Hz）。
该框架系统地用集成的、多功能的增材制造组件替代了离散的、组装的部件。
8. 未来应用与发展方向
- 多材料与多功能打印： 在单一构建过程中打印结合结构、光学、导电和磁性特性的器件。
- 面向量子的增材制造材料： 开发针对量子应用定制特性的新型光敏树脂或金属合金（例如，低放气率、特定磁导率、超低热膨胀）。
- 在轨制造： 利用增材制造进行量子传感器组件的在轨维修或制造，这对于长期太空任务至关重要。
- 人工智能驱动的协同设计： 利用机器学习算法同时优化量子系统性能和增材制造可制造性。
- 可扩展性与标准化： 建立专门针对量子级增材制造组件的材料数据库、工艺参数和后处理协议，以实现可靠的大规模定制。
9. 参考文献
- F. Wang 等，“增材制造在先进量子技术中的应用”，（综述，2025年）。
- M. G. Raymer 与 C. Monroe，“美国国家量子倡议”，《量子科学与技术》，第4卷，020504，2019年。
- L. J. Lauhon 等，“量子技术的材料挑战”，《MRS通报》，第48卷，第143–151页，2023年。
- 用于微光学的桶式光聚合技术（例如，Nanoscribe）：Nanoscribe GmbH。
- ISO/ASTM 52900:2021，“增材制造 — 通用原则 — 基础与词汇”。
- P. Zoller 等，“基于囚禁离子的量子计算”，《今日物理》，第75卷，第11期，第44–50页，2022年。
- D. J. Egger 等，“使用QuTiP的脉冲级含噪声量子电路”，《量子》，第6卷，第679页，2022年。（量子系统设计软件示例，与增材制造协同设计相关）。
10. 行业分析师视角
核心见解： 本文不仅是一篇技术综述，更是两个颠覆性工业范式——量子技术与增材制造——必然融合的战略路线图。其核心论点是，增材制造不仅仅是一种便利的工具，更是克服阻碍量子传感器走出实验室的“SWAP瓶颈”所必不可少的制造基底。其真正的价值主张在于系统级集成和功能密度，而不仅仅是部件替换。
逻辑脉络与战略定位： 作者巧妙地构建了论证结构，从高价值、近期的应用入手：用于导航、医学成像和资源勘探的量子传感。这是目前商业和政府资金集中的领域（例如，DARPA的量子孔径计划，英国的国家量子技术计划）。通过将增材制造定位为将这些传感器小型化以用于野外和太空部署的关键，他们为当前的研发投资提供了令人信服的理由。随后，逻辑脉络自然地扩展到更复杂的系统（计算机、模拟器），确立了增材制造在整个量子技术栈中的基础性作用。
优势与不足： 本文的优势在于其全面、跨学科的视野，将具体的增材制造技术与量子技术子系统的具体需求联系起来。然而，它也表现出前瞻性综述的一个常见缺陷：低估了巨大的材料科学与计量学挑战。通过增材制造工艺实现“量子级”性能——例如原子阱所需的亚纳米级表面光洁度、超导电路所需的十亿分之一杂质水平，或超高真空下近乎零的放气率——是一个巨大的障碍。本文提到了材料开发，但未能充分强调这是关键路径。正如MRS通报综述[3]所指出的，当前的增材制造材料通常缺乏量子相干时间所要求的纯度和性能一致性。
可操作的见解： 对于投资者和研发管理者而言，结论是明确的：聚焦于材料-工艺-性能三位一体。
- 投资特种材料初创企业： 支持开发下一代增材制造原料的公司（例如，高纯度金属粉末、低放气率光敏树脂、可打印超导体）。
- 资助计量学与标准制定： 支持创建标准化测试协议的计划，用于在量子相关条件（低温、超高真空、高射频）下表征增材制造部件。这是阻碍采用的一个缺口。
- 优先考虑“混合”制造： 最可行的近期路径并非纯增材制造，而是将增材制造作为精密功能化的基底。例如，使用激光粉末床熔融技术打印一个近净成形的真空腔室，然后使用原子层沉积技术施加完美的密封和低放气率内涂层。与原子层沉积设备公司合作。
- 放眼地球实验室之外： 最具吸引力且可防御的早期市场可能是航天级组件。其SWAP要求极端严苛、产量低、定制化程度高——完美契合增材制造的价值主张。现在就与航天机构和新兴航天公司接洽。
总之，本综述正确地识别了一场巨变。在量子技术商业化的下一阶段，赢家将不仅仅是拥有最佳量子比特的团队，更是那些掌握了制造容纳量子比特的“盒子”的艺术与科学的团队。增材制造正是定义这个“盒子”的技术。