Această descoperire a cipului de siliciu aduce o generație de lumină cuantică mai aproape de scară
Privind înainte: Cercetătorii de la Boston University, UC Berkeley și Northwestern University au dezvoltat un sistem integrat care combină componente electronice, fotonice și cuantice pe un singur cip semiconductor – un prim în tehnologia cuantică, potrivit unui nou studiu publicat în Nature Electronics. Munca echipei prezintă o metodă de „fabrici de lumină cuantică” producătoare în masă, folosind aceleași procese de fabricație semiconductoare utilizate în mod obișnuit în dispozitive electronice convenționale.
Noul cip integrează surse de lumină cuantică și controlere electronice folosind un proces semiconductor standard cu 45 de nanometri. Această abordare deschide calea pentru extinderea sistemelor cuantice în calcul, comunicare și detectare, câmpuri care s-au bazat în mod tradițional pe dispozitivele construite manual limitate la setările de laborator.
„Calcularea cuantică, comunicarea și detectarea sunt pe o cale de zeci de ani de la concept la realitate”, a spus Miloš Popović, profesor asociat de inginerie electrică și informatică la Universitatea Boston și un autor principal al studiului. „Acesta este un pas mic pe acea cale – dar una importantă, deoarece arată că putem construi sisteme cuantice repetabile, controlabile, în turnătorii comerciale cu semiconductor.”
Cipul din centrul studiului funcționează ca o serie de surse de lumină cuantică cunoscute sub numele de rezonatori de microrizare. Fiecare dintre aceste dispozitive – care măsoară mai puțin de un milimetru – poate genera perechi de fotoni strâns corelați, o resursă crucială pentru operațiunile cuantice.
Resonatoarele de microrizare funcționează prin sincronizarea cu lumina laser care intră, dar performanța lor este extrem de sensibilă la chiar și la fluctuații de temperatură ușoare sau la variații de fabricație – factori care pot perturba cu ușurință procesele cuantice delicate pe care le susțin.
Pentru a aborda aceste provocări, cercetătorii au dezvoltat un sistem de control integrat capabil să stabilizeze rezonatorii microring în timp real. CIP-ul include 12 rezonatori care pot funcționa în paralel, fiecare monitorizat de fotodiode încorporate care urmăresc alinierea cu laser. Încălzitoarele pe cip și circuitele logice reglează automat rezonatoarele ori de câte ori schimbările de temperatură sau alte tulburări amenință performanța lor.
„Ceea ce mă emoționează cel mai mult este că am încorporat controlul direct pe cip-stabilizarea unui proces cuantic în timp real”, spune Anirudh Ramesh, un doctorand la Northwestern care a condus măsurătorile cuantice. „Acesta este un pas critic către sistemele cuantice scalabile.”
Această concentrare asupra stabilizării este esențială pentru a se asigura că fiecare sursă de lumină funcționează în mod fiabil în condiții diferite. Imbert Wang, student la doctorat la Universitatea Boston, specializat în proiectarea dispozitivului fotonic, a evidențiat complexitatea tehnică.
„O provocare cheie în raport cu lucrările noastre anterioare a fost să împingem proiectarea fotonică pentru a îndeplini cerințele solicitante ale opticii cuantice, rămânând în constrângerile stricte ale unei platforme comerciale CMOS.
Prin obținerea unui control strâns de feedback asupra fiecărei surse de lumină, cipul poate menține performanțe constante, în ciuda fluctuațiilor de temperatură sau a variațiilor minore de fabricație. Întregul dispozitiv a fost fabricat folosind un proces comercial complementar de metal-oxid-semicondonductor și a fost dezvoltat în colaborare cu parteneri din industrie, cum ar fi GlobalFoundries și Silicon Valley Startup Ayar Labs.
Proiectul a necesitat o colaborare interdisciplinară profundă. „Tipul de colaborare interdisciplinară pe care această lucrare a cerut -o este exact ceea ce este necesar pentru a muta sistemele cuantice de la laborator la platforme scalabile”, spune Prem Kumar, profesor la Northwestern și un pionier în optică cuantică. „Nu am fi putut face acest lucru fără eforturile combinate în electronice, fotonică și măsurare cuantică.”
