1. 緒論
量子技術的發展預示著在計算、通訊、感測與基礎物理學領域的革命性進展。然而，從實驗室原型機過渡到便攜式、可實際應用的儀器，需要微型化、強固性與降低功耗——這些要求統稱為SWAP（尺寸、重量與功率）。積層製造（或稱3D列印）成為實現此過渡的關鍵推手。本回顧綜整了積層製造在量子光學、光力學、磁性元件及真空系統中的當前應用，強調其在創造下一代量子裝置所需之複雜、客製化與整合式硬體中所扮演的角色。
2. 量子光學中的積層製造
積層製造能夠製造出傳統方法難以或無法生產的複雜光學元件。這對於需要精確操控光線的量子系統至關重要。
2.1. 波導與光學元件
如雙光子聚合等技術，允許在單一結構內直接寫入低損耗光波導與微光學元件（透鏡、分光鏡）。這降低了對準的複雜性並提升了系統穩定性。
2.2. 積體光子電路
積層製造促進了被動光學電路與主動元件或機械固定座的整合。對於量子金鑰分發系統而言，這意味著緊湊、無需對準的發射/接收模組。
3. 光力學與磁性元件中的積層製造
積層製造的設計自由度被用來創造與量子系統介接的輕量化、結構高效的元件。
3.1. 機械阱與固定座
離子阱與原子晶片固定座受益於積層製造創造具有內部冷卻通道或真空埠之複雜幾何形狀的能力，從而改善了熱管理與整合度。
3.2. 磁場成形元件
軟磁複合材料的積層製造或導電線路的直接列印，使得能夠為原子感測器與氮-空位中心磁力計中的精確磁場生成，創造客製化的線圈與磁屏蔽。
4. 真空與低溫系統
積層製造正在革新真空腔體的設計。使用如鋁或鈦等金屬的雷射粉末床熔融技術，能夠創造出具有整合式饋通、光學視窗與支撐結構的輕量化、防漏腔體，大幅降低了量子感測器套件的體積與質量。
5. 技術細節與數學框架
積層製造元件在量子系統中的性能，通常取決於材料特性與幾何精度。例如，積層製造波導的表面粗糙度 $R_a$ 對光學散射損耗有決定性影響，而損耗與粗糙度成正比。由3D列印線圈產生的磁場 $\vec{B}$ 可以使用必歐-沙伐定律建模，並對複雜的線圈路徑 $d\vec{l}$ 進行積分：$\vec{B} = \frac{\mu_0}{4\pi} I \int \frac{d\vec{l} \times \vec{r}}{|r|^3}$。積層製造允許針對磁場均勻性（原子感測器的關鍵要求）對 $d\vec{l}$ 進行優化。
6. 實驗結果與性能表現
圖1（概念圖）：積層製造對量子技術裝置的益處。 此圖通常會展示傳統製造與積層製造系統的比較。可能並排顯示：一個龐大、由多個零件組裝而成的實驗室原子鐘，對比一個緊湊、單體式積層製造的真空封裝，其中包含整合光學與離子阱電極。強調的關鍵指標包括：體積減少 >80%、零件數量減少 >60%，以及相當或更佳的真空穩定性與阱頻率穩定性。
文獻中引用的具體結果包括：積層製造的超高真空腔體達到低於 $10^{-9}$ mbar 的壓力，以及聚合物基波導在電信波長下展現出低至 0.3 dB/cm 的傳播損耗，適用於量子光子整合。
7. 分析框架：個案研究
個案：微型化冷原子重力儀。 傳統重力儀使用複雜的雷射系統、磁線圈與大型玻璃真空腔體組裝而成。
- 問題分解： 識別適合積層製造整合的子系統：(a) 真空腔體，(b) 磁線圈組，(c) 光學麵包板/固定座。
- 積層製造技術選擇：
- (a) 真空腔體：使用 AlSi10Mg 材料的雷射粉末床熔融技術，以獲得輕量化、與超高真空相容的結構。
- (b) 線圈：將銀奈米粒子漿料以直接墨水書寫技術列印到3D列印的陶瓷基板上，形成共形線圈。
- (c) 固定座：使用玻璃填充尼龍的選擇性雷射燒結技術，製造堅固、輕量化的光學平台。
- 為積層製造而設計： 對腔體壁應用拓撲優化，在保持剛性的同時最小化質量。使用磁場模擬軟體設計線圈路徑以最大化磁場均勻性。將運動學固定特徵直接整合到光學平台的列印設計中。
- 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）。
此框架系統性地以整合式、多功能的積層製造元件取代了離散、組裝式的零件。
8. 未來應用與發展方向
- 多材料與多功能列印： 在單一製程中列印結合結構、光學、導電與磁性特性的裝置。
- 量子應用導向的積層製造材料： 開發針對量子應用量身定制特性的新型光敏樹脂或金屬合金（例如，低出氣、特定磁導率、超低熱膨脹）。
- 太空環境製造： 使用積層製造進行軌道上修復或製造量子感測器元件，這對長期太空任務至關重要。
- 人工智慧驅動的協同設計： 利用機器學習演算法同時優化量子系統性能與積層製造的可製造性。
- 可擴展性與標準化： 建立專門針對量子級積層製造元件的材料資料庫、製程參數與後處理協議，以實現可靠的大規模客製化。
9. 參考文獻
- F. Wang 等人，「先進量子技術之積層製造」，（回顧文章，2025年）。
- M. G. Raymer 與 C. Monroe，「美國國家量子計畫」，《量子科學與技術》，第4卷，020504，2019年。
- L. J. Lauhon 等人，「量子技術的材料挑戰」，《MRS 通報》，第48卷，第143–151頁，2023年。
- 用於微光學的桶槽光聚合技術（例如 Nanoscribe）：Nanoscribe GmbH。
- ISO/ASTM 52900:2021，「積層製造 — 通用原則 — 基礎與詞彙」。
- P. Zoller 等人，「使用囚禁離子的量子計算」，《今日物理》，第75卷，第11期，第44–50頁，2022年。
- D. J. Egger 等人，「使用 QuTiP 的脈衝級雜訊量子電路」，《Quantum》，第6卷，第679頁，2022年。（量子系統設計軟體範例，與積層製造協同設計相關）。
10. 產業分析師觀點
核心洞察： 本文不僅是一篇技術回顧；它更是兩個顛覆性產業典範——量子技術與積層製造——必然匯聚的戰略路線圖。核心論點是，積層製造不僅僅是一個便利的工具，更是克服「SWAP瓶頸」（此瓶頸阻礙量子感測器走出實驗室）的必要製造基底。真正的價值主張在於系統層級的整合與功能密度，而不僅僅是零件替換。
邏輯脈絡與戰略定位： 作者巧妙地從高價值、近期應用開始建構論點：用於導航、醫學影像與資源探勘的量子感測。這是目前商業與政府資金集中的領域（例如，DARPA的量子孔徑計畫、英國國家量子技術計畫）。透過將積層製造定位為使這些感測器微型化以用於野外與太空部署的關鍵，他們為立即的研發投資提出了有力的論據。接著，脈絡邏輯性地擴展到更複雜的系統（電腦、模擬器），確立了積層製造在整個量子技術堆疊中的基礎性角色。
優勢與缺陷： 本文的優勢在於其全面、跨學科的範疇，將特定的積層製造技術（如雙光子聚合、雷射粉末床熔融）與具體的量子技術子系統需求連結起來。然而，它也展現了前瞻性回顧文章常見的缺陷：低估了巨大的材料科學與計量學挑戰。使用積層製造製程達到「量子級」性能——例如原子阱的次奈米級表面光潔度、超導電路的十億分之一雜質水平，或超高真空中的近零出氣率——是一個巨大的障礙。本文提到了材料開發，但未充分強調這才是關鍵路徑。正如MRS通報回顧[3]所指出的，目前的積層製造材料通常缺乏量子相干時間所要求的純度與特性一致性。
可執行的洞察： 對於投資者與研發經理而言，結論很明確：聚焦於材料-製程-性能三位一體。
- 投資專業材料新創公司： 支持開發下一代積層製造原料的公司（例如，高純度金屬粉末、低出氣光敏聚合物、可列印超導體）。
- 資助計量學與標準制定： 支持建立標準化測試協議的計畫，用於在量子相關條件（低溫、超高真空、高射頻）下表徵積層製造零件。這是阻礙採用的缺口。
- 優先考慮「混合」製造： 最可行的近期路徑並非純粹的積層製造，而是將積層製造作為精密功能化的基底。例如，使用雷射粉末床熔融技術列印一個近淨形真空腔體，然後使用原子層沉積技術施加完美的氣密且低出氣的內塗層。與原子層沉積設備公司合作。
- 放眼地球實驗室之外： 最引人注目且具防禦性的早期市場可能是太空級元件。其SWAP要求極端、產量低、客製化程度高——完美契合積層製造的價值主張。現在就與太空機構及新興太空公司接觸。
總而言之，本回顧正確地識別了一場劇變。在量子技術商業化的下一階段，贏家將不僅僅是那些擁有最佳量子位元的團隊，更是那些掌握建造容納它們的盒子的藝術與科學的團隊。積層製造正是定義那個盒子的技術。