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！
2025-07-21 20:23:44 EETOP來自波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學的一個跨學科的學術團隊開發出了首款集成了電子、光子和量子組件的硅芯片。他們的研究成果發表在《自然?電子學》上，這是在量子技術領域的一項重大進展。文中描述了一個將量子光源與穩定電子元件融合的系統，所有這些都是利用標準的 45 納米半導體工藝制造的。可以看出這種量子芯片與我們經常看到的IBM、英特爾等的工作在低溫超導狀態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生穩定的關聯光子對（光粒子）流，而關聯光子對是許多量子應用的基本構建塊。這一突破標志著在大規模生產“量子光工廠” 芯片以及開發由多個相互連接的芯片組成的更復雜量子系統方面邁出了重要一步。
在實驗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
“量子計算、量子通信和量子傳感從概念到現實需要數十年的發展歷程，”波士頓大學電氣與計算機工程系副教授、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，因為它表明我們可以在商業半導體代工廠中構建可重復、可控制的量子系統。”
“這項工作所需要的這種跨學科合作，正是將量子系統從實驗室推向可擴展平臺所必需的，” 西北大學電氣與計算機工程教授、量子光學領域的先驅普雷姆?庫馬爾說，“如果沒有電子學、光子學和量子測量領域的共同努力，我們不可能完成這項工作。”
構建基于芯片的“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動一樣，未來的量子技術將需要穩定的量子光源單元流來執行其功能。為了實現這一點，研究人員在硅芯片上構建了一個“量子光工廠”陣列，每個“工廠”的尺寸均小于1平方毫米。
在芯片上生成光的量子態需要精密設計的光子器件—— 具體來說，是微環諧振器（英偉達首席執行官黃仁勛最近指出，這種器件是英偉達通過光互連實現其人工智能計算硬件未來擴展的核心）。為了以關聯光子對的形式生成量子光流，諧振器必須與為芯片上每個量子光工廠提供動力（并用作生成過程的 “燃料”）的入射激光同步調諧。但這些器件對溫度和制造差異極為敏感，這可能導致它們失去同步，并干擾量子光的穩定生成。
為了應對這一挑戰，該團隊構建了一個集成系統，能夠主動穩定芯片上的量子光源—— 特別是那些生成關聯光子流的硅基微環諧振器。每個芯片包含 12 個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 個光子對光源）的干擾，每個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——實時穩定量子過程，”西北大學博士生、負責量子測量的阿尼魯德·拉梅什（Anirudh Ramesh）表示，“這是邁向可擴展量子系統的關鍵一步。”
作為量子光源構建塊的微環諧振器，其極高的靈敏度是眾所周知的，這既是優勢也是劣勢。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。波士頓大學主導的團隊通過在諧振器內部集成光電二極管解決了這個問題，這種設計既能監測與入射激光的對準情況，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漂移情況持續調整諧振狀態。
“與我們之前的工作相比，一個關鍵挑戰是推動光子設計滿足量子光學的苛刻要求，同時仍要符合商業互補金屬氧化物半導體（CMOS）平臺的嚴格限制，”波士頓大學博士生、負責光子器件設計的英伯特·王（Imbert Wang）表示，“這使得電子和量子光學能夠作為一個統一系統進行協同設計。”
由于芯片使用內置反饋來穩定每個光源，因此盡管存在溫度變化和制造工藝差異，其表現仍然可預測——這是擴展量子系統的基本要求。該芯片是在一個商業45納米互補金屬氧化物半導體（CMOS）芯片平臺上制造的，該平臺最初是通過波士頓大學、加州大學伯克利分校、格芯（GlobalFoundries）和硅谷初創公司艾亞實驗室（Ayar Labs）的緊密合作開發的。艾亞實驗室源自這兩所大學的研究，現已成為光互連芯片領域的行業領導者。通過與西北大學的此次新合作，同樣的制造工藝現在不僅能夠為人工智能和超級計算提供先進的光互連，而且如該研究所示，還能夠在可擴展的硅平臺上構建復雜的量子光子系統。
關鍵詞： 量子芯片
