Исследователи из Бостонского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Северо-Западного университета разработали первую в своём роде интегрированную систему, сочетающую квантовые, фотонные и электронные элементы на одном полупроводниковом чипе. Разработка представляет собой значимый шаг к созданию масштабируемых квантовых технологий с использованием тех же процессов, что применяются при массовом производстве обычных микросхем.
Квантовые источники света в микромасштабе
Основу нового чипа составляют микрокольцевые резонаторы — миниатюрные устройства, способные генерировать пары тесно коррелированных фотонов. Эти пары являются ключевым элементом для реализации квантовых операций в вычислениях, связи и сенсорике. Размер каждого резонатора не превышает одного миллиметра, и все они работают синхронно с лазерным излучением.
Однако работа таких устройств крайне чувствительна к изменениям температуры и вариациям, возникающим при производстве, что может дестабилизировать квантовые процессы.
Чтобы устранить эти проблемы, команда разработала встроенную систему управления, способную стабилизировать резонаторы в реальном времени. Чип содержит 12 таких устройств, каждое из которых оснащено фотодиодами для отслеживания лазерной синхронизации. Встроенные нагреватели и логические схемы позволяют автоматически корректировать параметры работы при любых внешних воздействиях.
«Мы встроили управление прямо в чип — и смогли стабилизировать квантовый процесс на лету», — отметил Анируд Рамеш, аспирант Северо-Западного университета, руководивший квантовыми измерениями. Это решение открывает путь к созданию масштабируемых квантовых систем.
От электроники до квантовой оптики
Ключевым технологическим вызовом, по словам Имберта Ванга, докторанта из Бостонского университета, стало совмещение строгих требований квантовой оптики с ограничениями промышленной технологии CMOS. Команде удалось реализовать единое решение, в котором квантовые источники света и управляющая электроника спроектированы как единое целое.
Проект выполнен с использованием стандартного 45-нм техпроцесса и был реализован при участии промышленных партнёров, включая компанию GlobalFoundries и стартап Ayar Labs из Кремниевой долины.
Исследователи подчёркивают, что достижение стало возможным благодаря тесному сотрудничеству специалистов в разных областях. «Без объединения усилий в области электроники, фотоники и квантовых измерений мы бы не справились», — заявил Прем Кумар, профессор Северо-Западного университета и один из основоположников квантовой оптики.
Описание разработки опубликовано в журнале Nature Electronics.
