Благодаря микрокольцевым резонаторам, встроенным нагревателям и логике управления, новый чип управляет 12 синхронизированными источниками квантового света в реальном времени.
На пути к практическим квантовым системам, исследователи из Бостонского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Северо-Западного университета создали первый в мире интегрированный электронно-фотонно-квантовый чип.
Исследование представляет устройство, объединяющее источники квантового света со стабилизирующей электроникой на единой платформе, изготовленной по стандартному 45-нм полупроводниковому техпроцессу (технологии производства микросхем с элементами размером 45 млрд долей метра).
Читайте: Первый в мире криогенный чип управляет кубитами при −273 градусах
Чип генерации фотонов
Чип способен генерировать потоки коррелированных пар фотонов (частиц света, чьи свойства взаимосвязаны, даже если они разделены в пространстве), которые имеют решающее значение для будущих квантовых вычислений, сенсоров и безопасной связи.
Это первый случай, когда такая сложная система была создана с использованием коммерческих технологий производства чипов. «Квантовые вычисления, связь и сенсорика проходят десятилетний путь от концепции к реальности», — сказал Милош Попович, доцент Бостонского университета.
«Это небольшой шаг на пути, но важный, потому что он показывает, что мы можем создавать воспроизводимые, управляемые квантовые системы на коммерческих полупроводниковых производствах».
Каждый чип содержит 12 независимых источников квантового света, каждый из которых занимает менее квадратного миллиметра. Эти «фабрики квантового света» питаются лазерным излучением и используют микрокольцевые резонаторы (крошечные волноводы в форме кольца, улавливающие свет определённых частот) для генерации пар фотонов.
Резонаторы чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры и производственным отклонениям, что часто приводит к их рассинхронизации и нарушению светового потока. Чтобы решить эту проблему, команда учёных встроила систему управления в реальном времени прямо в сам чип.
«Что меня больше всего восхищает, так это то, что мы встроили управление напрямую в чип, стабилизируя квантовый процесс в реальном времени», — сказал Анируд Рамеш, аспирант Северо-Западного университета, руководивший квантовыми измерениями. «Это критически важный шаг на пути к масштабируемым квантовым системам».
Фотодиоды (полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал) были встроены в каждый резонатор для обнаружения рассогласования с входящим лазерным светом, в то время как встроенные нагреватели и логика управления непрерывно корректировали любые отклонения.
Эта обратная связь обеспечивает бесперебойную работу хрупкого процесса генерации квантового света даже при изменении условий.
Стандартная технология, экстраординарная функция
Чтобы заставить систему работать в рамках строгой коммерческой платформы, команде пришлось переосмыслить сосуществование квантовой и классической электроники на одном кристалле.
«Ключевой задачей по сравнению с нашей предыдущей работой было довести дизайн фотоники до соответствия строгим требованиям квантовой оптики, оставаясь при этом в жёстких рамках коммерческой CMOS-платформы (КМОП — доминирующая технология в производстве микросхем)», — сказал Имберт Ван, аспирант Бостонского университета, руководивший разработкой фотонных устройств.
Чип был изготовлен с использованием 45-нм CMOS-платформы, изначально разработанной совместно Бостонским университетом, Калифорнийским университетом в Беркли, GlobalFoundries и Ayar Labs.
Та же платформа, известная своей ролью в межсоединениях для искусственного интеллекта и суперкомпьютеров, теперь, благодаря новому сотрудничеству с Северо-Западным университетом, позволяет создавать сложные системы в области кремниевой фотоники (технологии, использующей кремний для создания оптических устройств).
«Нашей целью было показать, что сложные квантово-фотонные системы могут быть созданы и полностью стабилизированы в рамках одного CMOS-чипа», — сказал Даниэль Крамник, аспирант Калифорнийского университета в Беркли, курировавший проектирование и корпусирование чипа. «Это потребовало тесной координации между областями, которые обычно не взаимодействуют друг с другом».
Некоторые студенты-исследователи, участвовавшие в проекте, уже перешли на работу в индустрию, продолжая заниматься кремниевой фотоникой и квантовыми вычислениями в таких стартапах, как PsiQuantum и Ayar Labs, а также в Google X.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU