Międzyuczelniany zespół badawczy, składający się z naukowców z Boston University, University of California, Berkeley i Northwestern University, z sukcesem stworzył pierwsze na świecie urządzenie, które integruje kwantowe źródło światła z elektronicznymi elementami sterującymi na jednym chipie. Prototyp został wyprodukowany w komercyjnym procesie CMOS 45 nm. To przełomowe osiągnięcie stanowi ważny krok w kierunku praktycznego zastosowania i skalowania technologii kwantowej, a wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Electronics”.
Spis treści:
Mikrorezonatory pierścieniowe: Kluczowy element w tworzeniu źródeł światła kwantowego
Rdzeniem tego chipa jest wykorzystanie mikrorezonatorów pierścieniowych na bazie krzemu jako źródeł światła kwantowego. Zespół badawczy, poprzez zastosowanie nieliniowych efektów optycznych, wytwarza w tych rezonatorach „ciągły strumień skorelowanych par fotonów” (Correlated Photon Pairs), dostarczając w ten sposób niezbędne kubity (Qubit) dla zastosowań takich jak komunikacja kwantowa, sensoryka kwantowa i obliczenia kwantowe.
ednakże, mimo wysokiej wydajności, mikrorezonatory pierścieniowe są niezwykle wrażliwe na zmiany temperatury i błędy produkcyjne. Nawet niewielkie odchylenia mogą prowadzić do niestabilności generacji fotonów. Zatem, jak zapewnić stabilne działanie tych rezonatorów, stało się kluczowym wyzwaniem w skalowaniu systemów kwantowych.
Monitorowanie w czasie rzeczywistym i automatyczna kalibracja: Z laboratorium na platformę praktyczną
Aby zapewnić stabilne wyjście światła kwantowego, zespół badawczy wbudował w każdy rezonator czujniki fotoelektryczne i miniaturowe grzałki, a także logikę sterowania na chipie. Umożliwiło to monitorowanie w czasie rzeczywistym i funkcję automatycznej kalibracji częstotliwości. Taka konstrukcja nadaje chipowi zdolność do „samomonitorowania i samoregulacji”, co pozwala mu stabilnie generować źródła światła kwantowego nawet w obliczu wahań temperatury otoczenia lub zakłóceń elektromagnetycznych.
Dzięki takiej konstrukcji, system może utrzymać wysoką stabilność pomimo drobnych różnic produkcyjnych lub fluktuacji w środowisku pracy chipa, co jest kluczowym warunkiem dla skalowalnych zastosowań systemów kwantowych.
„Kwantowa fabryka światła” zintegrowana na jednym chipie
Zespół badawczy zbudował na chipie macierz „kwantowych fabryk światła”, gdzie każda jednostka ma zaledwie około 1 mm² i zawiera łącznie 12 źródeł światła kwantowego, które mogą działać synchronicznie. Każde źródło światła musi być precyzyjnie zsynchronizowane z laserem i utrzymywać spójność częstotliwości, aby stabilnie produkować wysokiej jakości pary fotonów. Dzięki integracji grzałek, fotodiod i logiki sterowania sprzężeniem zwrotnym, każda jednostka może regulować i synchronizować się w czasie rzeczywistym, pokonując tym samym barierę niemożności stabilnego działania źródeł światła kwantowego przez długi czas.
Proces CMOS realizuje technologię kwantową: Przełom w kosztach i możliwościach produkcyjnych
W przeciwieństwie do wielu wcześniejszych komponentów kwantowych, które pozostawały w fazie laboratoryjnej, ten chip został w całości wyprodukowany przy użyciu standardowego procesu CMOS 45 nm. Oznacza to, że technologia ta ma szansę na masową produkcję na istniejących liniach półprzewodnikowych, co znacznie obniża próg produkcji i koszty, a także przyspiesza komercjalizację technologii kwantowej.
Proces ten został opracowany wspólnie przez Boston University, GlobalFoundries i startup Ayar Labs, który jest obecnie liderem w dziedzinie połączeń optycznych. Dzięki współpracy z Northwestern University, platforma ta może obsługiwać nie tylko komunikację optyczną wymaganą przez obliczenia wysokowydajne i AI, ale także rozszerzyć się na złożone systemy fotoniki kwantowej.
Siła współpracy międzybranżowej
Sukces tego badania wynika z ścisłej współpracy trzech głównych dziedzin: elektroniki, fotoniki i pomiarów kwantowych. Profesor nadzwyczajny Miloš Popović z Boston University podkreśla: „To ważny krok na naszej drodze do realizacji skalowalnych systemów kwantowych, dowodzący, że możliwe jest wytwarzanie powtarzalnych i kontrolowalnych chipów kwantowych w komercyjnych odlewniach”.
Profesor Prem Kumar z Northwestern University zaznacza: „Bez tego rodzaju międzybranżowej współpracy, nie byłoby możliwe ukończenie tak precyzyjnego i stabilnego systemu kwantowego”.
Szerokie perspektywy zastosowań, ale wyzwania wciąż czekają
Potencjalne zastosowania tej technologii obejmują bezpieczną komunikację kwantową, precyzyjne urządzenia sensoryczne oraz podstawową architekturę komputerów kwantowych. Zwłaszcza w przyszłej budowie sieci kwantowych, stabilne i kontrolowane urządzenia do generowania par fotonów będą fundamentalną podstawą.
Jednakże, technologia ta wciąż znajduje się na etapie prototypu i nie zostały jeszcze publicznie ujawnione dane dotyczące wydajności masowej produkcji, struktury kosztów ani konkretnych wyników wydajności obliczeń kwantowych. Aby w przyszłości mogła być szerzej stosowana komercyjnie, konieczne będą dalsze testy i integracja międzybranżowa.
Podsumowanie: Początek kwantowej rewolucji
Ten chip, łączący fotonikę kwantową z procesem CMOS, niewątpliwie otwiera nowe drzwi dla zastosowań technologii kwantowej. Przejście od badań akademickich do praktycznych zastosowań wymaga nie tylko przełomów technologicznych, ale także ciągłej międzybranżowej współpracy i innowacyjnego myślenia. Chociaż droga jest długa, ten chip jest niewątpliwie ważnym punktem wyjścia dla kwantowej przyszłości.
Odniesienia:
- Zaprezentowano pierwszy hybrydowy układ kwantowy łączący elektronikę, optykę i sterowanie kwantowe w procesie technologicznym 45 nm
- World’s First Hybrid Chip Combines Electronics, Photonics, and Quantum Power
- „Skalowalna stabilizacja sprzężenia zwrotnego kwantowych źródeł światła na chipie CMOS” autorstwa Danieliusa Kramnika, Imberta Wanga, Anirudha Ramesha, Josepa M. Fargasa Cabanillasa, Ðorđe Gluhovića, Sidneya Buchbindera, Panagiotisa Zarkosa, Christosa Adamopoulada i Mojirza Mr. Popovića, 14 lipca 2025 r., Nature Electronics. DOI: 10.1038/s41928-025-01410-5
(Źródło: Uniwersytet Bostoński)
W zakresie szlifowania oferujemy indywidualne dostosowanie. Możemy modyfikować proporcje zgodnie z Twoimi potrzebami, aby osiągnąć najwyższą wydajność.
Zapraszamy do kontaktu, nasi specjaliści odpowiedzą na Twoje pytania.
Jeśli potrzebujesz wyceny, skontaktuj się z nami.
Godziny obsługi klienta: poniedziałek – piątek 09:00-18:00
Numer kontaktowy：07 223 1058
Jeśli masz jakieś pytania, zapraszamy do wysłania wiadomości prywatnej na Facebooku!
Nasza strona na FB：https://www.facebook.com/honwaygroup
Być może zainteresują cię inne artykuły…
[wpb-random-posts]
