Міждисциплінарна академічна команда успішно інтегрувала квантові джерела світла та керуючу електроніку на одному кремнієвому чіпі. Дослідники з Бостонського університету, Каліфорнійського університету в Берклі та Північно-Західного університету розробили перший чіп, який інтегрує електронні, фотонні та квантові компоненти, що є значним кроком у розвитку квантових технологій . Їхні висновки, опубліковані в Nature Electronics, описують систему, яка поєднує квантові джерела світла зі стабілізуючою електронікою, виготовленими за стандартним 45-нанометровим напівпровідниковим процесом. Ця інтеграція дозволяє чіпу генерувати послідовні потоки корельованих пар фотонів (частинок світла), які є важливими будівельними блоками для багатьох квантових застосувань. Цей прорив знаменує собою важливий крок до масштабного виробництва чіпів «квантової світлової фабрики» та розробки складніших квантових систем, що складаються з кількох взаємопов’язаних чіпів. «Квантові обчислення, комунікація та сенсорні системи пройшли багаторічний шлях від концепції до реальності», — каже Мілош Попович, доцент кафедри електротехніки та обчислювальної техніки в Бостонському університеті та старший автор дослідження. «Це невеликий крок на цьому шляху, але важливий, оскільки він показує, що ми можемо створювати повторювані, керовані квантові системи на комерційних напівпровідникових заводах». «Такий міждисциплінарний співробітництво, якого потребувала ця робота, саме те, що потрібно для перенесення квантових систем з лабораторії на масштабовані платформи», — каже Прем Кумар, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Північно-Західному університеті та піонер квантової оптики. «Ми не змогли б зробити це без спільних зусиль в електроніці, фотоніці та квантових вимірюваннях». Будівництво «фабрики квантового світла» на основі чіпів Так само як електронні чіпи живляться електричним струмом, а оптичні лінії зв’язку — лазерним світлом, майбутні квантові технології потребуватимуть постійного потоку квантових світлових ресурсних одиниць для виконання своїх функцій. Щоб забезпечити це, дослідники створили масив «фабрик квантового світла» на кремнієвому чіпі, кожна з яких має розмір менше міліметра на міліметр. Генерація квантових станів світла на чіпі вимагає точно спроектованих фотонних пристроїв, зокрема, мікрокільцевих резонаторів (тих самих пристроїв, які нещодавно генеральний директор Nvidia Дженсен Хуанг визначив як невід’ємну частину майбутнього масштабування обчислювального обладнання Nvidia для штучного інтелекту через оптичне з’єднання). Щоб генерувати потоки квантового світла у вигляді корельованих пар фотонів, резонатори повинні бути налаштовані синхронно з вхідним лазерним світлом, яке живить кожну фабрику квантового світла на чіпі (і використовується як паливо для процесу генерації). Але ці пристрої надзвичайно чутливі до температури та коливань виготовлення, що може вивести їх із синхронізації та порушити стабільну генерацію квантового світла. Щоб вирішити цю проблему, команда створила інтегровану систему, яка активно стабілізує квантові джерела світла на кристалі, зокрема, кремнієві мікрокільцеві резонатори, що генерують потоки корельованих фотонів. Кожен кристал містить дванадцять таких джерел, що працюють паралельно, і кожен резонатор повинен залишатися синхронізованим зі своїм вхідним лазерним світлом навіть за наявності температурного дрейфу та перешкод від сусідніх пристроїв, включаючи одинадцять інших джерел фотонних пар на кристалі. Вбудовування квантового керування в реальному часі «Найбільше мене вражає те, що ми вбудували керування безпосередньо в чіп, стабілізуючи квантовий процес у режимі реального часу», — каже Анірудх Рамеш, аспірант Північно-Західного університету, який керував квантовими вимірюваннями. «Це критичний крок до масштабованих квантових систем». Надзвичайна чутливість мікрокільцевих резонаторів, будівельних блоків квантових джерел світла, добре відома і є одночасно благословенням і прокляттям. Саме тому вони можуть ефективно генерувати потоки квантового світла на мінімальній площі кристала. Однак невеликі зміни температури можуть зірвати процес генерації фотонних пар. Команда під керівництвом BU вирішила цю проблему, інтегрувавши фотодіоди всередину резонаторів таким чином, щоб контролювати вирівнювання з вхідним лазером, зберігаючи при цьому генерацію квантового світла. Вбудовані нагрівачі та логіка керування постійно регулюють резонанс у відповідь на дрейф. «Ключовим завданням порівняно з нашою попередньою роботою було підштовхнути розробку фотоніки до відповідності вимогам квантової оптики, залишаючись при цьому в рамках суворих обмежень комерційної CMOS-платформи», — каже Імберт Ван, аспірант Бостонського університету, який керував розробкою фотонного пристрою. «Це дозволило спільно розробляти електроніку та квантову оптику як єдину систему». Оскільки чіп використовує вбудований зворотний зв’язок для стабілізації кожного джерела, він поводиться передбачувано, незважаючи на зміни температури та варіації у виготовленні, що є важливою вимогою для масштабування квантових систем. Він був виготовлений на комерційній 45-нанометровій комплементарній металооксидній напівпровідниковій (КМОП) платформі, спочатку розробленій завдяки тісній співпраці між Бостонським університетом, Каліфорнійським університетом у Берклі, GlobalFoundries та стартапом Ayar Labs із Кремнієвої долини, який виріс із досліджень двох університетів і зараз є лідером галузі в галузі оптичних з’єднань. Завдяки новій співпраці з Northwestern, той самий виробничий процес тепер дозволяє створювати не лише передові оптичні з’єднання для штучного інтелекту та суперкомп’ютерів, але й, як показано в дослідженні, складні квантові фотонні системи на масштабованій кремнієвій платформі. «Нашою метою було показати, що складні квантові фотонні системи можна повністю побудувати та стабілізувати всередині CMOS-чіпа», — каже Даніель Крамнік, аспірант Каліфорнійського університету в Берклі, який керував розробкою, упаковкою та інтеграцією чіпів. «Це вимагало тісної координації між різними галузями, які зазвичай не взаємодіють одна з одною». Зі зростанням масштабів та складності квантових фотонних систем, такі чіпи можуть стати будівельними блоками для технологій, починаючи від безпечних комунікаційних мереж і закінчуючи передовими сенсорними системами та, зрештою, інфраструктурою квантових обчислень. Кілька аспірантів-авторів з того часу продовжують розвивати кремнієву фотоніку та квантові технології в промисловості. Хосеп Марія Фаргас Кабанільяс та Анірудх Рамеш зараз працюють у стартапі фотонних квантових комп’ютерів PsiQuantum, тоді як Джордже Глухович та Сідні Бухбіндер приєдналися до Ayar Labs. Імберт Ванг працює в Aurora. Даніель Крамнік працює в Google X та займається створенням стартапу кремнієвої фотоніки. Ці траєкторії відображають зростаючий імпульс кремнієвої фотоніки, як у масштабуванні сучасної обчислювальної інфраструктури штучного інтелекту, так і в довгостроковій перспективі для забезпечення масштабованих квантових систем на основі чіпів. Джерело