1. 引言
量子技術（QT）嘅發展為計算、通訊、感測同基礎物理學帶嚟革命性進步。然而，要將實驗室原型轉變為便攜、實用嘅儀器，就必須實現小型化、增強穩健性同降低功耗——呢啲要求統稱為SWAP（尺寸、重量同功耗）。增材製造（AM），亦即3D打印，就成為實現呢個轉變嘅關鍵推動力。本綜述整合咗AM喺量子光學、光力學、磁性組件同真空系統中嘅現有應用，重點闡述佢喺創造下一代量子設備所需嘅複雜、定制化同集成化硬件方面嘅作用。
2. 量子光學中嘅增材製造
AM能夠製造傳統方法難以或無法生產嘅複雜光學組件。呢點對於需要精確操控光線嘅量子系統至關重要。
2.1. 波導同光學元件
雙光子聚合（2PP）等技術允許喺單一結構內直接寫入低損耗光波導同微光學元件（透鏡、分束器）。咁樣可以減少對準嘅複雜性，並提高系統穩定性。
2.2. 集成光子電路
AM促進咗被動光學電路同有源元件或機械安裝座嘅集成。對於量子密鑰分發（QKD）系統嚟講，呢意味住可以實現緊湊、無需對準嘅發射/接收模組。
3. 光力學同磁性組件中嘅增材製造
利用AM嘅設計自由度，可以創造出輕量化、結構高效嘅組件，用於同量子系統對接。
3.1. 機械陷阱同安裝座
離子陷阱同原子芯片安裝座受益於AM能夠創造具有內部冷卻通道或真空埠嘅複雜幾何形狀，從而改善熱管理同集成度。
3.2. 磁場整形組件
軟磁複合材料嘅AM或導電線路嘅直接打印，使得能夠為原子傳感器同NV中心磁力計中嘅精確磁場生成，創造定制線圈同磁屏蔽。
4. 真空同低溫系統
AM正喺度革新真空腔體設計。使用鋁或鈦等金屬嘅激光粉末床熔融（LPBF）技術，可以製造出輕量化、防漏嘅腔體，並集成饋通件、光學窗口同支撐結構，從而大幅減少量子傳感器套件嘅體積同質量。
5. 技術細節同數學框架
AM組件喺量子系統中嘅性能，往往取決於材料特性同幾何精度。例如，AM製造嘅波導表面粗糙度 $R_a$ 會關鍵影響光學散射損耗，兩者成正比關係。3D打印線圈產生嘅磁場 $\vec{B}$ 可以使用畢奧-薩伐爾定律建模，並對複雜線圈路徑 $d\vec{l}$ 進行積分：$\vec{B} = \frac{\mu_0}{4\pi} I \int \frac{d\vec{l} \times \vec{r}}{|r|^3}$。AM允許優化 $d\vec{l}$ 以實現磁場均勻性，呢係原子傳感器嘅一個關鍵要求。
6. 實驗結果同性能表現
圖1（概念圖）：AM對QT設備嘅好處。 呢幅圖通常會展示傳統系統同AM製造系統之間嘅比較。可能會並排顯示：一個笨重、由多個部件組裝而成嘅實驗室原子鐘，對比一個緊湊、單體式AM製造嘅真空套件，內含集成光學同離子陷阱電極。突出顯示嘅關鍵指標包括：體積減少 >80%，組件數量減少 >60%，以及相當或更佳嘅真空穩定性同陷阱頻率穩定性。
文獻中引用嘅具體結果包括：AM製造嘅超高真空（UHV）腔體達到低於 $10^{-9}$ mbar嘅壓力；以及聚合物基波導喺電信波長下展示出低至0.3 dB/cm嘅傳播損耗，適合量子光子集成。
7. 分析框架：一個案例研究
案例：小型化冷原子重力儀。 傳統重力儀使用複雜嘅激光系統、磁線圈同大型玻璃真空室組裝而成。
- 問題分解： 識別適合AM集成嘅子系統：(a) 真空腔體，(b) 磁線圈組，(c) 光學麵包板/安裝座。
- AM技術選擇：
- (a) 真空腔體：使用AlSi10Mg材料進行LPBF，以獲得輕量化、兼容UHV嘅結構。
- (b) 線圈：將銀納米粒子漿料通過直接墨水書寫（DIW）技術沉積到3D打印嘅陶瓷基板上，形成共形線圈。
- (c) 安裝座：使用玻璃填充尼龍進行選擇性激光燒結（SLS），以製造剛性、輕量化嘅光學平台。
- 面向增材製造嘅設計（DfAM）： 對腔體壁應用拓撲優化，以喺保持剛度嘅同時最小化質量。使用磁場模擬軟件設計線圈路徑，以最大化磁場均勻性。將運動學安裝特徵直接集成到光學平台嘅打印中。
- 性能驗證： 關鍵指標：腔體基礎壓力（< $1\times10^{-9}$ mbar），線圈電流密度（最大值 $J_{max}$），平台共振頻率（> 500 Hz），以及最終重力儀靈敏度（目標：$\sim 10^{-8}$ g/√Hz）。
呢個框架系統性地用集成化、多功能嘅AM組件取代離散、組裝嘅部件。
8. 未來應用同發展方向
- 多材料同多功能打印： 喺單一構建過程中打印結合結構、光學、導電同磁性特性嘅設備。
- 量子增強型AM材料： 開發針對量子應用量身定制特性嘅新型光敏樹脂或金屬合金（例如，低放氣、特定磁導率、超低熱膨脹）。
- 太空原位製造： 使用AM進行量子傳感器組件嘅在軌修復或製造，對於長期太空任務至關重要。
- 人工智能驅動嘅協同設計： 利用機器學習算法同時優化量子系統性能同AM可製造性。
- 可擴展性同標準化： 建立專門針對量子級AM組件嘅材料數據庫、工藝參數同後處理協議，以實現可靠嘅大規模定制。
9. 參考文獻
- F. Wang 等人，"先進量子技術嘅增材製造"，（綜述，2025年）。
- M. G. Raymer 同 C. Monroe，"美國國家量子計劃"，量子科學與技術，卷 4，020504，2019年。
- L. J. Lauhon 等人，"量子技術嘅材料挑戰"，MRS公報，卷 48，第143–151頁，2023年。
- 用於微光學嘅桶聚合（例如，Nanoscribe）：Nanoscribe GmbH。
- ISO/ASTM 52900:2021，"增材製造 — 通用原則 — 基礎同詞彙"。
- P. Zoller 等人，"使用囚禁離子進行量子計算"，今日物理，卷 75，第11期，第44–50頁，2022年。
- D. J. Egger 等人，"使用QuTiP嘅脈衝級別噪聲量子電路"，Quantum，卷 6，第679頁，2022年。（量子系統設計軟件示例，與AM協同設計相關）。
10. 行業分析師觀點
核心見解： 呢篇論文唔單止係一份技術綜述；佢係兩個顛覆性工業範式——量子技術同增材製造——必然融合嘅戰略路線圖。核心論點係，AM唔單止係一個方便嘅工具，而係克服阻止量子傳感器離開實驗室嘅"SWAP瓶頸"嘅必要製造基底。真正嘅價值主張係系統級集成同功能密度，唔單止係部件替換。
邏輯流程同戰略定位： 作者巧妙地通過從高價值、近期應用開始構建論點：用於導航、醫學成像同資源勘探嘅量子傳感。呢度係目前商業同政府資金集中嘅地方（例如，DARPA嘅量子孔徑計劃、英國國家量子技術計劃）。通過將AM定位為將呢啲傳感器小型化以用於現場同太空部署嘅關鍵，佢哋為即時嘅研發投資提出咗一個令人信服嘅理由。然後，流程邏輯上擴展到更複雜嘅系統（計算機、模擬器），確立AM喺整個QT堆棧中嘅基礎性作用。
優點同缺點： 論文嘅優點在於其全面、跨學科嘅範圍，將特定AM技術（2PP、LPBF）同具體QT子系統需求聯繫起嚟。然而，佢展示咗前瞻性綜述中一個常見嘅缺點：低估咗巨大嘅材料科學同計量學挑戰。通過AM工藝實現"量子級"性能——諗下原子陷阱嘅亞納米級表面光潔度、超導電路嘅十億分之一雜質水平，或UHV中接近零嘅放氣——係一個巨大嘅障礙。論文提到材料開發，但冇充分強調呢點係關鍵路徑。正如MRS公報綜述[3]中指出，目前嘅AM材料通常缺乏量子相干時間所要求嘅純度同特性一致性。
可行見解： 對於投資者同研發經理嚟講，結論好清晰：專注於材料-工藝-性能三位一體。
- 投資特種材料初創公司： 支持開發下一代AM原料嘅公司（例如，高純度金屬粉末、低放氣光敏聚合物、可打印超導體）。
- 資助計量學同標準制定： 支持創建標準化測試協議嘅計劃，用於喺量子相關條件（低溫、UHV、高射頻）下表徵AM部件。呢個係阻礙採用嘅一個缺口。
- 優先考慮"混合"製造： 最可行嘅近期路徑唔係純粹嘅AM，而係將AM作為精確功能化嘅基底。例如，用LPBF打印一個近淨形真空腔體，然後使用原子層沉積（ALD）技術塗覆完美嘅密封同低放氣內塗層。與ALD設備公司合作。
- 放眼地球實驗室之外： 最引人注目同最具防禦性嘅早期市場可能係太空級組件。SWAP要求極端，產量低，定制化程度高——完美契合AM嘅價值主張。立即與太空機構同新興太空公司接洽。
總而言之，呢份綜述正確地識別咗一個巨大嘅轉變。喺量子技術商業化嘅下一階段，贏家唔單止係擁有最佳量子比特嘅人，仲會係掌握建造容納佢哋嘅盒子嘅藝術同科學嘅人。增材製造就係定義呢個盒子嘅技術。