為了向?qū)嵱昧孔酉到y(tǒng)邁進(jìn)，波士頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校和西北大學(xué)的研究人員制造出了世界上第一個(gè)集成電子-光子-量子芯片。

該研究展示了一種使用標(biāo)準(zhǔn) 45 納米半導(dǎo)體工藝在單一平臺(tái)上將量子光源與穩(wěn)定電子設(shè)備融合的設(shè)備。

該芯片可以產(chǎn)生相關(guān)光子對(duì)流，這些光粒子對(duì)于未來(lái)的量子計(jì)算、傳感和安全通信至關(guān)重要。

這是首次利用商業(yè)芯片制造技術(shù)構(gòu)建如此復(fù)雜的系統(tǒng)。

波士頓大學(xué)副教授米洛什·波波維奇表示：“量子計(jì)算、通信和傳感從概念到現(xiàn)實(shí)還有幾十年的時(shí)間。”

“這是這條道路上的一小步，但卻是重要的一步，因?yàn)樗砻魑覀兛梢栽谏虡I(yè)半導(dǎo)體代工廠中構(gòu)建可重復(fù)、可控制的量子系統(tǒng)?！?/span>

每個(gè)芯片包含十二個(gè)獨(dú)立的量子光源，每個(gè)光源的面積不到一平方毫米。這些“量子光工廠”由激光驅(qū)動(dòng)，并依靠微環(huán)諧振器產(chǎn)生光子對(duì)。

諧振器對(duì)溫度變化和制造差異極其敏感，這常常導(dǎo)致它們不同步并擾亂光流。

為了解決這個(gè)問題，該團(tuán)隊(duì)將實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)直接嵌入到芯片上。

“最讓我興奮的是，我們將控制直接嵌入到芯片上，實(shí)時(shí)穩(wěn)定量子過程，”領(lǐng)導(dǎo)此次量子測(cè)量的西北大學(xué)博士生阿尼魯?shù)隆だ肥?(Anirudh Ramesh) 說道。“這是邁向可擴(kuò)展量子系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。”

每個(gè)諧振器內(nèi)部都集成了光電二極管，用于檢測(cè)入射激光的錯(cuò)位，而片上加熱器和控制邏輯則持續(xù)校正任何漂移。即使在條件波動(dòng)的情況下，這種反饋回路也能確保精密的量子光生成過程平穩(wěn)運(yùn)行。

標(biāo)準(zhǔn)芯片技術(shù)，非凡功能

為了使系統(tǒng)在嚴(yán)格的商業(yè)平臺(tái)內(nèi)運(yùn)行，該團(tuán)隊(duì)必須重新思考量子和經(jīng)典電子技術(shù)如何在芯片上共存。

領(lǐng)導(dǎo)光子器件設(shè)計(jì)的波士頓大學(xué)博士生 Imbert Wang 表示：“與我們之前的工作相比，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是推動(dòng)光子設(shè)計(jì)滿足量子光學(xué)的苛刻要求，同時(shí)仍遵守商業(yè) CMOS 平臺(tái)的嚴(yán)格限制。”

該芯片采用最初由波士頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、GlobalFoundries 和 Ayar Labs 共同開發(fā)的 45 納米 CMOS 平臺(tái)構(gòu)建。

該平臺(tái)以支持人工智能和超級(jí)計(jì)算互連而聞名，由于與西北大學(xué)的新合作，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子光子學(xué)。

“我們的目標(biāo)是證明復(fù)雜的量子光子系統(tǒng)可以完全在CMOS芯片內(nèi)構(gòu)建和穩(wěn)定，”加州大學(xué)伯克利分校負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)和封裝的博士生丹尼爾·克拉姆尼克（Daniel Kramnik）表示?！斑@需要跨領(lǐng)域緊密協(xié)作，而這些領(lǐng)域通常彼此之間并不直接溝通?！?/span>

該項(xiàng)目的幾名學(xué)生研究員已經(jīng)轉(zhuǎn)向工業(yè)界，繼續(xù)在 PsiQuantum 和 Ayar Labs 以及Google X等初創(chuàng)公司從事硅光子學(xué)和量子計(jì)算工作。

這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、帕卡德獎(jiǎng)學(xué)金和 GlobalFoundries 的支持。