據(jù)最新一期《自然-電子學(xué)》雜志報道,美國波士頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校和西北大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合,開發(fā)出全球首個電子—光子—量子一體化芯片系統(tǒng)。這是首次在一塊芯片上集成了量子光源與穩(wěn)定控制電子電路,并采用標(biāo)準(zhǔn)的45納米半導(dǎo)體制造工藝。其為批量化生產(chǎn)“量子光工廠”芯片、構(gòu)建大規(guī)模量子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

團(tuán)隊(duì)表示,在可擴(kuò)展量子技術(shù)的發(fā)展歷程中,這是關(guān)鍵一步,它表明人們可以在商用半導(dǎo)體工廠中構(gòu)建可重復(fù)、可控的量子系統(tǒng)。

就像傳統(tǒng)電子芯片依賴電流、光通信系統(tǒng)依賴激光,未來的光量子技術(shù)也需要穩(wěn)定的“量子光”資源來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、通信或感知。為此,研究人員在硅芯片上構(gòu)建了一組“量子光工廠”,每個僅約1毫米見方,卻能穩(wěn)定產(chǎn)生成對相關(guān)光子,這是量子信息應(yīng)用的關(guān)鍵資源。

要使這些諧振器穩(wěn)定地產(chǎn)生光子對,必須確保它們與注入的激光保持高度同步。而且器件對溫度變化和制造誤差極為敏感,稍有偏差就可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。

團(tuán)隊(duì)的解決方案是在芯片內(nèi)部集成主動控制系統(tǒng),對產(chǎn)生光子的微環(huán)諧振器進(jìn)行實(shí)時穩(wěn)定調(diào)控。每塊芯片包含12個這樣的光子源,每個都需在溫度波動和相互干擾下保持高精度同步運(yùn)行。研究人員在諧振器內(nèi)部嵌入了光電探測器,能實(shí)時監(jiān)測其與激光的匹配狀態(tài),并通過片上加熱器和控制邏輯電路,自動微調(diào)共振條件,以確保光子對穩(wěn)定產(chǎn)生。

此次一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是,在保持量子光學(xué)性能的同時,把光子器件設(shè)計限制在商業(yè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)平臺的嚴(yán)格規(guī)范之內(nèi)。這要求團(tuán)隊(duì)從一開始就將電子與量子光學(xué)作為統(tǒng)一系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。而該芯片采用了標(biāo)準(zhǔn)的45納米CMOS平臺,具備內(nèi)建反饋穩(wěn)定機(jī)制,能有效應(yīng)對溫度變化與制造誤差帶來的干擾。

隨著量子光子系統(tǒng)規(guī)模與復(fù)雜度不斷提升,此類“量子光工廠”芯片有望成為安全通信網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)傳感設(shè)備乃至未來量子計算基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵構(gòu)建單元。