Một nhóm nghiên cứu đa trường đại học đến từ Đại học Boston, Đại học California, Berkeley và Đại học Northwestern đã chế tạo thành công thiết bị đầu tiên trên thế giới tích hợp nguồn sáng lượng tử và thiết bị điện tử điều khiển trên một chip duy nhất. Nguyên mẫu được hoàn thiện bằng quy trình CMOS 45nm thương mại. Thành tựu này đánh dấu một bước tiến đáng kể hướng tới ứng dụng thực tế và khả năng mở rộng của công nghệ lượng tử. Những phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí Nature Electronics.
Mục lục
Bộ cộng hưởng vòng vi mô: thành phần chính để tạo ra nguồn sáng lượng tử
Lõi của con chip này sử dụng các bộ cộng hưởng microring dựa trên silicon làm nguồn sáng lượng tử. Thông qua các hiệu ứng quang học phi tuyến tính, nhóm nghiên cứu tạo ra một luồng liên tục các cặp photon tương quan (hạt ánh sáng) trong các bộ cộng hưởng này, cung cấp các bit lượng tử (qubit) cần thiết cho các ứng dụng như truyền thông lượng tử, cảm biến lượng tử và điện toán lượng tử.
Tuy nhiên, mặc dù bộ cộng hưởng vòng vi mô có hiệu suất cao, chúng lại cực kỳ nhạy cảm với nhiệt độ và các biến động quy trình; ngay cả một sai lệch nhỏ nhất cũng có thể dẫn đến sự phát sinh photon không ổn định. Do đó, việc đảm bảo hoạt động ổn định của các bộ cộng hưởng này đã trở thành một thách thức quan trọng trong việc đạt được khả năng mở rộng của các hệ thống lượng tử.
Giám sát thời gian thực và hiệu chuẩn tự động: Từ phòng thí nghiệm đến nền tảng thực tế
Để đảm bảo đầu ra ánh sáng lượng tử ổn định, nhóm nghiên cứu đã tích hợp một cảm biến quang điện và một bộ vi gia nhiệt vào mỗi bộ cộng hưởng. Kết hợp với logic điều khiển trên chip, điều này cho phép giám sát thời gian thực và hiệu chuẩn tần số tự động. Thiết kế này cung cấp cho chip khả năng tự giám sát và tự điều chỉnh, cho phép đầu ra ánh sáng lượng tử ổn định ngay cả khi nhiệt độ môi trường dao động hoặc nhiễu điện từ.
Nhờ thiết kế này, hệ thống có thể duy trì độ ổn định cao ngay cả khi có những khác biệt nhỏ trong quá trình sản xuất hoặc biến động môi trường trong quá trình vận hành chip. Đây là điều kiện then chốt cho việc ứng dụng hệ thống lượng tử trên quy mô lớn.
Nhà máy quang tử lượng tử tích hợp chip đơn
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một mảng “nhà máy ánh sáng lượng tử” trên chip, mỗi đơn vị chỉ có kích thước khoảng 1mm², chứa tổng cộng 12 nguồn sáng lượng tử được đồng bộ hóa. Mỗi nguồn sáng phải được đồng bộ hóa chính xác với laser và duy trì tính nhất quán về tần số để đảm bảo sản xuất ổn định các cặp photon chất lượng cao. Bằng cách tích hợp bộ gia nhiệt, điốt quang và logic điều khiển phản hồi, mỗi đơn vị có thể được điều chỉnh và đồng bộ hóa theo thời gian thực, khắc phục trở ngại trước đây vốn hạn chế hoạt động ổn định lâu dài của các nguồn sáng lượng tử.
Quy trình CMOS cho phép công nghệ lượng tử: đột phá về chi phí và khả năng sản xuất
Không giống như các thiết bị lượng tử trước đây, vốn chỉ được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, con chip này được sản xuất hoàn toàn bằng quy trình CMOS 45nm tiêu chuẩn. Điều này có nghĩa là công nghệ này có thể được sản xuất hàng loạt trực tiếp trên các dây chuyền sản xuất bán dẫn hiện có, giúp giảm đáng kể các rào cản và chi phí sản xuất, đồng thời đẩy nhanh quá trình thương mại hóa công nghệ lượng tử.
Quy trình này được phát triển bởi Đại học Boston, hợp tác với GlobalFoundries và công ty khởi nghiệp quang tử Ayar Labs, một công ty hàng đầu trong lĩnh vực kết nối quang học. Thông qua sự hợp tác với Đại học Northwestern, nền tảng này không chỉ cho phép truyền thông quang học cần thiết cho điện toán hiệu suất cao và AI, mà còn mở rộng sang các hệ thống quang tử lượng tử phức tạp.
Sức mạnh của sự hợp tác liên ngành
Nghiên cứu này là kết quả của sự hợp tác chặt chẽ giữa các lĩnh vực điện tử, quang tử và đo lường lượng tử. Miloš Popović, Phó Giáo sư tại Đại học Boston, nhấn mạnh: “Đây là một bước tiến đáng kể trong việc hiện thực hóa các hệ thống lượng tử có khả năng mở rộng, chứng minh rằng việc chế tạo chip lượng tử có thể tái tạo và kiểm soát được trong một xưởng đúc thương mại là hoàn toàn khả thi.”
Giáo sư Prem Kumar của Đại học Northwestern chỉ ra rằng: “Nếu không có sự hợp tác liên ngành như thế này, sẽ không thể đạt được một hệ thống lượng tử chính xác và ổn định như vậy”.
Triển vọng ứng dụng rất rộng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức ở phía trước
Các ứng dụng tiềm năng của công nghệ này bao gồm truyền thông lượng tử an toàn, thiết bị cảm biến có độ chính xác cao và kiến trúc cốt lõi của máy tính lượng tử. Đặc biệt, các thiết bị tạo cặp photon ổn định và có thể điều khiển sẽ là nền tảng cho việc xây dựng các mạng lượng tử trong tương lai.
Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn nguyên mẫu, chưa có thông tin về năng suất và cơ cấu chi phí cho sản xuất hàng loạt, cũng như dữ liệu hiệu suất điện toán lượng tử cụ thể. Cần thêm các thử nghiệm, xác minh và tích hợp liên ngành để ứng dụng thương mại.
Kết luận: Điểm khởi đầu của cuộc cách mạng lượng tử
Con chip này, kết hợp quang tử lượng tử với xử lý CMOS, chắc chắn sẽ mở ra một cánh cửa mới cho việc ứng dụng công nghệ lượng tử. Việc chuyển từ nghiên cứu hàn lâm sang ứng dụng thực tế không chỉ đòi hỏi những đột phá về công nghệ mà còn đòi hỏi sự hợp tác liên ngành bền vững và tư duy đổi mới. Mặc dù chặng đường phía trước còn dài, nhưng con chip này chắc chắn là một điểm khởi đầu quan trọng cho tương lai của công nghệ lượng tử.
Tài liệu tham khảo:
- Chip lượng tử lai đầu tiên được công bố, kết hợp điện tử, quang học và điều khiển lượng tử trên quy trình 45nm
- World’s First Hybrid Chip Combines Electronics, Photonics, and Quantum Power
- “Ổn định phản hồi có thể mở rộng của nguồn sáng lượng tử trên chip CMOS,” của Danielius Kramnik, Imbert Wang, Anirudh Ramesh, Josep M. Fargas Cabanillas, Ðorđe Gluhović, Sidney Buchbinder, Panagiotis Zarkos, Christos Adamopoulad, Mojirz Mr. Popović, ngày 14 tháng 7 năm 2025, Nature Electronics. DOI: 10.1038/s41928-025-01410-5
(Nguồn: Đại học Boston)
Về mài mòn: Chúng tôi cung cấp các điều chỉnh tùy chỉnh để điều chỉnh tỷ lệ theo nhu cầu gia công, nhằm đạt hiệu quả tối đa.
Hãy liên hệ với chúng tôi, sẽ có chuyên gia hỗ trợ giải đáp cho bạn.
Nếu cần báo giá tùy chỉnh, hãy liên hệ với chúng tôi.
Thời gian hỗ trợ khách hàng: Thứ Hai đến Thứ Sáu, từ 09:00 đến 18:00.
phone：07 223 1058
Nếu có chủ đề muốn tìm hiểu hoặc không thể nói rõ qua điện thoại, hãy nhắn tin trực tiếp qua Facebook nhé~~
honway fb：https://www.facebook.com/honwaygroup
Các bài viết mà bạn có thể quan tâm…
[wpb-random-posts]
