Pierwszy na świecie chip łączący elementy elektroniczne, fotonowe i kwantowe na jednej strukturze

Zespół naukowców z Boston University, UC Berkeley i Northwestern University opracował pierwszy na świecie zintegrowany chip, który łączy elementy elektroniczne, fotonowe i kwantowe na jednej półprzewodnikowej strukturze. O przełomowym osiągnięciu poinformowano w najnowszym numerze Nature Electronics.

Nowy układ otwiera drzwi do masowej produkcji tzw. kwantowych fabryk światła przy użyciu tych samych procesów produkcyjnych, które obecnie wykorzystywane są w konwencjonalnych układach scalonych.

Produkcja kwantowych systemów na skalę przemysłową

Zaprojektowany chip wykorzystuje standardowy proces półprzewodnikowy o rozdzielczości 45 nanometrów, znany z przemysłu CMOS. To oznacza, że elementy kwantowe, dotychczas tworzone ręcznie w laboratoriach, mogą być teraz produkowane seryjnie w istniejących liniach technologicznych.

„To mały krok na długiej drodze do rzeczywistych zastosowań technologii kwantowych, ale bardzo ważny, bo pokazuje, że możemy budować powtarzalne, kontrolowalne systemy kwantowe w komercyjnych fabrykach” – mówi prof. Miloš Popović z Boston University.

Zespół naukowców z Boston University, UC Berkeley i Northwestern University opracował pierwszy na świecie zintegrowany chip, który łączy elementy elektroniczne, fotonowe i kwantowe na jednej półprzewodnikowej strukturze.

Serce układu: rezonatory mikropierścieniowe generujące splątane fotony

Centralnym elementem chipu są tzw. mikropierścieniowe rezonatory, czyli struktury mniejsze niż milimetr, zdolne do generowania par fotonów kwantowo splątanych, niezbędnych w operacjach kwantowych. Tego typu rezonatory są wyjątkowo czułe na zmiany temperatury i mikroskopijne odchylenia w produkcji, co stanowi wyzwanie dla ich stabilności i precyzji działania.

Odpowiedzią na te wyzwania jest zintegrowany system sterowania na chipie, który w czasie rzeczywistym stabilizuje działanie rezonatorów. Każdy z 12 rezonatorów jest wyposażony w fotodiodę monitorującą zestrojenie z wiązką lasera, a wbudowane grzałki i układy logiczne automatycznie korygują wszelkie odchylenia.

„Najbardziej ekscytujące jest to, że kontrola odbywa się bezpośrednio na chipie, to kluczowy krok ku skalowalnym systemom kwantowym” – mówi Anirudh Ramesh, doktorant z Northwestern University.

Kwantowe projektowanie w komercyjnych realiach

Projektowanie fotoniki kwantowej w ramach restrykcyjnych ograniczeń przemysłowego procesu CMOS było ogromnym wyzwaniem. Jak podkreśla Imbert Wang z Boston University: „Musieliśmy dopasować projekt fotoniki do rygorystycznych wymogów optyki kwantowej, nie wychodząc poza ograniczenia komercyjnej platformy produkcyjnej”. To jednak pozwoliło na wspólne projektowanie elektroniki i fotoniki jako jednej, zintegrowanej całości, co wcześniej było nieosiągalne.

Projekt zrealizowano we współpracy z partnerami przemysłowymi, m.in. GlobalFoundries i Ayar Labs z Doliny Krzemowej. Jak podkreśla prof. Prem Kumar z Northwestern University: „Tylko dzięki połączeniu sił specjalistów z dziedzin elektroniki, fotoniki i pomiarów kwantowych mogliśmy osiągnąć ten przełom”.

Co to oznacza dla przyszłości technologii kwantowej?

Zintegrowany chip to fundament pod przyszłe komputery, sieci i czujniki kwantowe, które mogą być produkowane masowo, czyli taniej, szybciej i bardziej niezawodnie. Tym samym przeniesienie technologii z laboratoriów do fabryk to milowy krok w kierunku upowszechnienia technologii kwantowej w realnych zastosowaniach przemysłowych i konsumenckich.