Уявіть собі майбутнє, де обчислювальні потужності на порядки перевищують можливості сучасних суперкомп’ютерів, де інформація передається з абсолютною захищеністю, а датчики здатні вловлювати найдрібніші зміни в навколишньому середовищі. Це не наукова фантастика, а потенційна реальність, наближення до якої стало можливим завдяки прориву в області квантових технологій. Міждисциплінарна команда вчених зробила справжній технологічний стрибок, створивши перший в світі гібридний чіп, що об’єднує електронні, фотонні і квантові компоненти – справжній “камінь” в фундаменті квантового майбутнього.
Зародження “фабрики квантового світла”
Результати роботи, опубліковані в престижному журналіNature Electronics, демонструють щось більше, ніж просто інтеграцію різних технологій. Вони являють собою створення системи, в якій квантові джерела світла органічно поєднуються зі стабілізуючою електронікою, виробленої з використанням стандартного 45-нанометрового напівпровідникового процесу. Це подібно до створення мікроскопічної “Фабрики квантового світла”, здатної генерувати потоки корельованих ПАР фотонів – фундаментальних будівельних блоків для безлічі квантових додатків.
Подібно до того, як електронні чіпи живляться електричним струмом, а оптичні лінії зв’язку – лазерним випромінюванням, квантові технології майбутнього зажадають постійного потоку квантових джерел світла. Для вирішення цього завдання дослідники розробили безліч таких “фабрик” – кожна розміром менше міліметра на міліметр-інтегрованих на кремнієвому чіпі.
Складна симфонія електроніки та фотоніки
Ключовим елементом цих “фабрик” є мікрорезонатори – пристрої, здатні створювати квантові стани світла. За словами генерального директора Nvidia Дженсена Хуанга, саме ці компоненти, а також оптичні з’єднання, стануть невід’ємною частиною майбутнього розширення обчислювального обладнання Nvidia для штучного інтелекту. Однак для ефективної генерації потоків квантового світла у вигляді корельованих ПАР фотонів, ці резонатори повинні бути синхронізовані з вхідним лазерним випромінюванням, яке є паливом для процесу.
Незважаючи на вражаючі можливості, мікрорезонатори надзвичайно чутливі до змін температури та особливостей виробництва. Навіть незначні коливання можуть порушити стабільність генерації квантового світла. Команда вчених з Бостонського університету, Каліфорнійського університету в Берклі і Північно-Західного університету, озброївшись передовими знаннями в області електроніки, ФОТОНІКИ і квантових вимірювань, розробила елегантне рішення: інтегровану систему, що забезпечує активну стабілізацію квантових джерел світла на чіпі.
Управління квантовим процесом у реальному часі
“Що мене особливо захоплює,-каже Аніруд Рамеш, аспірант Північно – Західного університету, – це можливість впровадити управління безпосередньо в чіп, стабілізуючи квантовий процес в режимі реального часу. Це важливий крок на шляху до масштабованих квантових систем.”
Кожен чіп містить дванадцять таких джерел, і кожен резонатор повинен залишатися синхронізованим з лазерним випромінюванням, незважаючи на температурні коливання і перешкоди від сусідніх компонентів. Для контролю вирівнювання по лазерному променю, а також підтримки стабільності квантової генерації, резонатори оснащені фотодіодами. Вбудовані нагрівачі та складна логіка управління постійно регулюють резонанс у відповідь на будь-які відхилення.
Співпраця-ключ до успіху
“Ключовим завданням у порівнянні з нашою попередньою роботою було привести дизайн ФОТОНІКИ у відповідність з високими вимогами квантової оптики, залишаючись при цьому в рамках жорстких обмежень комерційної КМОП-платформи, – говорить Імберт Ван, аспірант Бостонського університету. – Це дозволило спільно спроектувати електроніку і квантову оптику як єдину систему.”
Масштабування квантових систем: майбутнє вже тут
Розроблений чіп використовує вбудований зворотний зв’язок для стабілізації кожного джерела, що робить його роботу передбачуваною, незважаючи на зміни температури та особливості виробництва. Він виготовлений на комерційній 45-нанометровій платформі CMOS, що значно спрощує масштабування та інтеграцію з існуючими технологіями.
“Наша мета полягала в тому, щоб продемонструвати, що складні квантові фотонні системи можуть бути створені і стабілізовані повністю в рамках КМОП-чіпа, – говорить Деніел Крамник, аспірант Каліфорнійського університету в Берклі. – Це вимагало тісної координації між областями, які зазвичай не взаємодіють один з одним.”
Вплив на індустрію
У міру зростання масштабів і складності квантових фотонних систем, подібні чіпи можуть стати ключовими будівельними блоками для широкого спектру технологій: від захищених мереж зв’язку і передових датчиків до інфраструктури квантових обчислень. Команда дослідників продовжує просувати кремнієву фотоніку та квантові технології в промисловості. Кілька аспірантів вже працюють в стартапах, що займаються створенням фотонних квантових комп’ютерів і розробкою оптичних з’єднань для штучного інтелекту і суперкомп’ютерів, демонструючи зростаючу динаміку розвитку Кремнієвої ФОТОНІКИ як в плані масштабування існуючої обчислювальної інфраструктури, так і для створення масштабованих квантових систем в майбутньому.
Наукова довідка
Стаття:“Масштабована стабілізація квантових джерел світла зі зворотним зв’язком на кристалі CMOS”Автор:Даніеліус Крамник, Імберт Ванг, Аніруд Рамеш, Джозеп м. Фаргас Кабанільяс, Джордже Глухович, Сідні Бухбіндер, Панайотіс Заркос, Крістос Адамопулос, Прем Кумар, Володимир М. Стоянович та Мілош а. ПоповичЖурнал:Nature ElectronicsДата публікації:14 липня 2025 рокуDOI:10.1038/s41928-025-01410-5
Фінансування:Дослідження було підтримано Національним науковим фондом, включаючи програму “майбутнє напівпровідників” (FuSe), а також стипендію Пакарда в галузі науки і техніки та Фонд каталізатора. Підтримку у виготовленні чіпів надавали Ayar Labs і GlobalFoundries.
