全球首個電子-光子-量子集成芯片系統(tǒng)問世

來自波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學的團隊聯(lián)合開發(fā)出全球首個電子-光子-量子集成芯片系統(tǒng)，如《 自然電子 》最新一期報道。這是首次使用標準的 45 納米半導體制造工藝，將量子光源和穩(wěn)定的控制電子電路集成在單一芯片上。這一成果為“量子光工廠”芯片的大規(guī)模生產(chǎn)以及大型量子系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了堅實基礎(chǔ)。

該團隊表示，這標志著可擴展量子技術(shù)發(fā)展中的一個關(guān)鍵步驟，證明了在商業(yè)半導體晶圓廠中可以構(gòu)建可重復和可控的量子系統(tǒng)。

正如傳統(tǒng)電子芯片依賴于電流，而光通信系統(tǒng)依賴于激光一樣，未來的光量子技術(shù)將需要穩(wěn)定的量子光源來進行計算、通信和傳感。為此，研究人員在硅芯片上構(gòu)建了一系列“量子光工廠”——每個面積約為1平方毫米——可以可靠地產(chǎn)生成對的糾纏光子，這是量子信息應用的關(guān)鍵資源。

為了確保諧振器穩(wěn)定地產(chǎn)生光子對，它們必須與注入的激光高度同步。這些設(shè)備對溫度波動和制造缺陷非常敏感——任何輕微的偏差都可能導致系統(tǒng)故障。

該團隊的解決方案是將主動控制系統(tǒng)直接集成到芯片上，以實時穩(wěn)定和調(diào)整產(chǎn)生光子的微環(huán)諧振器。每個芯片包含12個這樣的光子源，每個光子源即使在溫度變化和相互干擾的情況下也需要精確同步。研究人員在諧振器內(nèi)部嵌入了光電探測器，以持續(xù)監(jiān)測其與激光的諧振。這配備了片上加熱器和控制邏輯電路，可自動微調(diào)諧振條件，確保持續(xù)的光子對生成。

該項目的一個主要挑戰(zhàn)是在遵循嚴格的商業(yè)互補金屬氧化物半導體（CMOS）平臺設(shè)計約束的同時，保持量子光學性能。這從一開始就需要一種協(xié)同設(shè)計方法——將電子和量子光子學視為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。該芯片基于標準的 45 納米 CMOS 平臺構(gòu)建，具有內(nèi)置的反饋穩(wěn)定機制，可有效減輕溫度變化和制造誤差引起的干擾。

隨著量子光子系統(tǒng)在規(guī)模和復雜性上的增長，這種“量子光工廠”芯片預計將成為安全通信網(wǎng)絡(luò)、先進傳感技術(shù)和未來量子計算基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組件。