Prvi elektroničko-fotonski kvantni čip

Američki znanstvenici sa Sveučilišta u Bostonu, UC Berkeleyja i Sveučilišta Northwestern izvijestili su o prvom elektroničko-fotonsko-kvantnom sustavu na čipu, što je prekretnica za skalabilne kvantne tehnologije, prema studiji objavljenoj u časopisu Nature Electronics.

Sustav kombinira kvantne izvore svjetlosti i stabilizirajuću elektroniku koristeći standardni 45-nanometarski proces proizvodnje poluvodiča kako bi proizveo pouzdane tokove koreliranih fotonskih parova (čestica svjetlosti), ključni resurs za nove kvantne tehnologije. Ovaj napredak otvara put masovno proizvodnim čipovima "kvantne tvornice" i velikim kvantnim sustavima izgrađenim od mnogih takvih čipova koji rade zajedno.

„Kvantno računanje, komunikacija i senzori nalaze se na desetljećima dugom putu od koncepta do stvarnosti“, kaže Miloš Popović, izvanredni profesor elektrotehnike i računarstva na Sveučilištu u Bostonu i glavni autor studije. „Ovo je mali korak na tom putu - ali važan, jer pokazuje da možemo izgraditi ponovljive, upravljive kvantne sustave u komercijalnim tvornicama poluvodiča.“

Baš kao što elektroničke čipove napajaju električne struje, a optičke komunikacijske veze laserska svjetlost, buduće kvantne tehnologije zahtijevat će stalan protok kvantnih svjetlosnih resursnih jedinica za obavljanje svojih funkcija. Kako bi to osigurali, istraživači su stvorili niz „kvantnih svjetlosnih tvornica“ na silicijskom čipu, svaka dimenzija manjih od milimetra puta milimetra.

Kako bi se suočio s ovim izazovom, tim je izgradio integrirani sustav koji aktivno stabilizira kvantne izvore svjetlosti na čipu - točnije, silicijske mikroprstenaste rezonatore koji generiraju tokove koreliranih fotona. Svaki čip sadrži dvanaest takvih izvora koji mogu raditi paralelno, a svaki rezonator mora ostati sinkroniziran sa svojom dolaznom laserskom svjetlošću čak i u prisutnosti temperaturnog pomaka i smetnji od obližnjih uređaja - uključujući ostalih jedanaest izvora fotonskih parova na čipu.

Budući da čip koristi ugrađenu povratnu informaciju za stabilizaciju svakog izvora, ponaša se predvidljivo unatoč promjenama temperature i varijacijama u izradi - što je bitan uvjet za skaliranje kvantnih sustava. Izrađen je na komercijalnoj 45-nanometarskoj komplementarnoj metal-oksid poluvodičkoj (CMOS) platformi, izvorno razvijenoj bliskom suradnjom između BU, UC Berkeley, GlobalFoundries i startupa Ayar Labs iz Silicijske doline, koji je izrastao iz istraživanja na dva sveučilišta i sada je lider u industriji optičkih čipleta.

Kroz novu suradnju s Northwesternom, isti taj proizvodni proces sada omogućuje ne samo napredne optičke međusobne veze za umjetnu inteligenciju i superračunalstvo, već i, kao što je prikazano u studiji, složene kvantne fotonske sustave na skalabilnoj silicijskoj platformi.