量子芯片革命性突破！小硅片上建造"量子光工廠"陣列，電子-光子-量子三模集成硅芯片全球首發(fā)！
2025-07-21 20:23:44 EETOP來自波士頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校和西北大學(xué)的一個(gè)跨學(xué)科的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了首款集成了電子、光子和量子組件的硅芯片。他們的研究成果發(fā)表在《自然?電子學(xué)》上，這是在量子技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展。文中描述了一個(gè)將量子光源與穩(wěn)定電子元件融合的系統(tǒng)，所有這些都是利用標(biāo)準(zhǔn)的 45 納米半導(dǎo)體工藝制造的。可以看出這種量子芯片與我們經(jīng)常看到的IBM、英特爾等的工作在低溫超導(dǎo)狀態(tài)之下的硅量子芯片原理完全不同。
這種集成使得該芯片能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)光子對（光粒子）流，而關(guān)聯(lián)光子對是許多量子應(yīng)用的基本構(gòu)建塊。這一突破標(biāo)志著在大規(guī)模生產(chǎn)“量子光工廠” 芯片以及開發(fā)由多個(gè)相互連接的芯片組成的更復(fù)雜量子系統(tǒng)方面邁出了重要一步。
在實(shí)驗(yàn)期間放置在探針站顯微鏡下的包含芯片的封裝電路板。圖片來源：波士頓大學(xué)
“量子計(jì)算、量子通信和量子傳感從概念到現(xiàn)實(shí)需要數(shù)十年的發(fā)展歷程，”波士頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系副教授、該研究資深作者米洛什·波波維奇（Milo? Popovi?）表示，“這是這條道路上的一小步，但卻意義重大，因?yàn)樗砻魑覀兛梢栽谏虡I(yè)半導(dǎo)體代工廠中構(gòu)建可重復(fù)、可控制的量子系統(tǒng)。”
“這項(xiàng)工作所需要的這種跨學(xué)科合作，正是將量子系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室推向可擴(kuò)展平臺所必需的，” 西北大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授、量子光學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)普雷姆?庫馬爾說，“如果沒有電子學(xué)、光子學(xué)和量子測量領(lǐng)域的共同努力，我們不可能完成這項(xiàng)工作。”
構(gòu)建基于芯片的“量子光工廠”
正如電子芯片依靠電流、光通信鏈路依靠激光驅(qū)動(dòng)一樣，未來的量子技術(shù)將需要穩(wěn)定的量子光源單元流來執(zhí)行其功能。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員在硅芯片上構(gòu)建了一個(gè)“量子光工廠”陣列，每個(gè)“工廠”的尺寸均小于1平方毫米。
在芯片上生成光的量子態(tài)需要精密設(shè)計(jì)的光子器件—— 具體來說，是微環(huán)諧振器（英偉達(dá)首席執(zhí)行官黃仁勛最近指出，這種器件是英偉達(dá)通過光互連實(shí)現(xiàn)其人工智能計(jì)算硬件未來擴(kuò)展的核心）。為了以關(guān)聯(lián)光子對的形式生成量子光流，諧振器必須與為芯片上每個(gè)量子光工廠提供動(dòng)力（并用作生成過程的 “燃料”）的入射激光同步調(diào)諧。但這些器件對溫度和制造差異極為敏感，這可能導(dǎo)致它們失去同步，并干擾量子光的穩(wěn)定生成。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)集成系統(tǒng)，能夠主動(dòng)穩(wěn)定芯片上的量子光源—— 特別是那些生成關(guān)聯(lián)光子流的硅基微環(huán)諧振器。每個(gè)芯片包含 12 個(gè)可并行操作的此類光源，即使存在溫度漂移以及來自附近器件（包括芯片上其他 11 個(gè)光子對光源）的干擾，每個(gè)諧振器也必須與其入射激光保持同步。
“最讓我興奮的是，我們將控制功能直接嵌入到了芯片上——實(shí)時(shí)穩(wěn)定量子過程，”西北大學(xué)博士生、負(fù)責(zé)量子測量的阿尼魯?shù)?/span>·拉梅什（Anirudh Ramesh）表示，“這是邁向可擴(kuò)展量子系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。”
作為量子光源構(gòu)建塊的微環(huán)諧振器，其極高的靈敏度是眾所周知的，這既是優(yōu)勢也是劣勢。正是這種高靈敏度使得它們能夠在極小的芯片面積上高效地生成量子光流。然而，微小的溫度變化就可能破壞光子對的生成過程。波士頓大學(xué)主導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)通過在諧振器內(nèi)部集成光電二極管解決了這個(gè)問題，這種設(shè)計(jì)既能監(jiān)測與入射激光的對準(zhǔn)情況，又能保持量子光的生成。芯片上的加熱器和控制邏輯會根據(jù)漂移情況持續(xù)調(diào)整諧振狀態(tài)。
“與我們之前的工作相比，一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是推動(dòng)光子設(shè)計(jì)滿足量子光學(xué)的苛刻要求，同時(shí)仍要符合商業(yè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）平臺的嚴(yán)格限制，”波士頓大學(xué)博士生、負(fù)責(zé)光子器件設(shè)計(jì)的英伯特·王（Imbert Wang）表示，“這使得電子和量子光學(xué)能夠作為一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。”
由于芯片使用內(nèi)置反饋來穩(wěn)定每個(gè)光源，因此盡管存在溫度變化和制造工藝差異，其表現(xiàn)仍然可預(yù)測——這是擴(kuò)展量子系統(tǒng)的基本要求。該芯片是在一個(gè)商業(yè)45納米互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片平臺上制造的，該平臺最初是通過波士頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、格芯（GlobalFoundries）和硅谷初創(chuàng)公司艾亞實(shí)驗(yàn)室（Ayar Labs）的緊密合作開發(fā)的。艾亞實(shí)驗(yàn)室源自這兩所大學(xué)的研究，現(xiàn)已成為光互連芯片領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。通過與西北大學(xué)的此次新合作，同樣的制造工藝現(xiàn)在不僅能夠?yàn)?a href="http://www.xebio.com.cn/ai" target="_blank" class="keylink">人工智能和超級計(jì)算提供先進(jìn)的光互連，而且如該研究所示，還能夠在可擴(kuò)展的硅平臺上構(gòu)建復(fù)雜的量子光子系統(tǒng)。
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