Создана первая в мире электронно-фотонно-квантовая система на чипе
Разработка открывает путь к массовому производству чипов «квантовой световой фабрики» и крупномасштабных квантовых систем, состоящих из множества таких чипов, работающих вместе.
Квантовые вычисления, связь и сенсорные технологии находятся на пути длиной в несколько десятилетий — от концепции до реальности, —говорит Милош Попович, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Бостонском университете и старший автор исследования. — Это небольшой, но важный шаг на этом пути, поскольку он показывает, что мы можем создавать воспроизводимые и управляемые квантовые системы на коммерческих полупроводниковых заводах».
Точно так же, как электронные чипы питаются от электрического тока, а оптические каналы связи — от лазерного излучения, будущим квантовым технологиям для выполнения своих функций потребуется постоянный поток квантовых световых ресурсов. Чтобы обеспечить это, исследователи создали на кремниевом чипе массив «фабрик квантового света» размером менее миллиметра на миллиметр.
Для создания квантовых состояний света на чипе требуются точно спроектированные фотонные устройства, в частности микрокольцевые резонаторы (те самые устройства, недавно названные генеральным директором Nvidia Дженсеном Хуангом неотъемлемой частью будущего масштабирования вычислительного оборудования Nvidia для искусственного интеллекта за счёт оптического соединения).
Чтобы генерировать потоки квантового света в виде коррелированных пар фотонов, резонаторы должны быть синхронизированы с входящим лазерным излучением, которое питает каждую фабрику квантового света на чипе (и используется в качестве «топлива» для процесса генерации). Но эти устройства чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры и производственным отклонениям, которые могут привести к рассинхронизации и нарушению стабильной генерации квантового света.
Чтобы решить эту проблему, команда создала интегрированную систему, которая активно стабилизирует квантовые источники света на чипе — в частности, кремниевые микрокольцевые резонаторы, генерирующие потоки коррелированных фотонов. Каждый чип содержит двенадцать таких источников, работающих параллельно, и каждый резонатор должен синхронизироваться с входящим лазерным излучением даже при температурном дрейфе и помехах от близлежащих устройств, включая остальные одиннадцать источников пар фотонов на чипе.
Больше всего меня воодушевляет то, что мы внедрили управление непосредственно в чип, стабилизировав квантовый процесс в реальном времени, — говорит Анируд Рамеш, аспирант Северо-Западного университета, который руководил квантовыми измерениями. — Это важный шаг на пути к созданию масштабируемых квантовых систем».
Чрезвычайная чувствительность микрокольцевых резонаторов, которые являются основой для квантовых источников света, хорошо известна и является одновременно и преимуществом, и недостатком. Именно благодаря ей они могут эффективно генерировать потоки квантового света на минимальной площади чипа. Однако даже небольшое изменение температуры может нарушить процесс генерации фотонных пар.
Исследователи решили эту проблему, интегрировав фотодиоды в резонаторы таким образом, чтобы они отслеживали выравнивание с входящим лазером, сохраняя при этом генерацию квантового света. Встроенные в чип нагреватели и управляющая логика постоянно корректируют резонанс в ответ на дрейф.
«Ключевой задачей по сравнению с нашей предыдущей работой было усовершенствовать конструкцию фотонных устройств, чтобы они соответствовали строгим требованиям квантовой оптики, оставаясь при этом в рамках строгих ограничений коммерческой CMOS-платформы, — говорит Имберт Ванг, аспирант Бостонского университета, который руководил разработкой фотонных устройств. — Это позволило совместно проектировать электронику и квантовую оптику как единую систему».
Поскольку чип использует встроенную систему обратной связи для стабилизации каждого источника, его поведение предсказуемо, несмотря на изменения температуры и производственные отклонения, что является важным требованием для масштабирования квантовых систем. Чип был изготовлен на коммерческой 45-нанометровой платформе комплементарных металл-оксидных полупроводников (CMOS), изначально разработанной в рамках тесного сотрудничества между Бостонским университетом, Калифорнийским университетом в Беркли, GlobalFoundries и стартапом Ayar Labs из Кремниевой долины, который вырос из исследований в этих двух университетах и сейчас является лидером в области чипов для оптических межсоединений.
По мере увеличения масштаба и сложности квантово-фотонных систем подобные чипы могут стать строительными блоками для самых разных технологий — от безопасных сетей связи до передовых датчиков и, в конечном счёте, квантовый вычислений инфраструктуры.
Сообщение Создана первая в мире электронно-фотонно-квантовая система на чипе появились сначала на Время электроники.