Исследователи из Бостонского университета, Калифорнийского университета, Беркли и Северо-Западного университета разработали интегрированную систему, которая объединяет электронные, фотонные и квантовые компоненты на одном полупроводниковом чипе, впервые в области квантовых технологий, согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Electronics. Исследование группы предлагает способ массового производства «фабрик квантового света», используя процессы производства полупроводников, обычно используемые в традиционных электронных устройствах.

В новом чипе используется стандартный 45-нм полупроводниковый процесс для интеграции квантового источника света и электронного контроллера. Этот подход открывает путь к масштабированию квантовых систем в областях вычислений, коммуникаций и зондирования, которые традиционно полагались на устройства ручного изготовления, ограниченные лабораторными условиями.

«Квантовые вычисления, коммуникация и зондирование еще на десятилетия отделяют концепцию от реальности», — сказал Милош Попович, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Бостонского университета и старший автор исследования. «Это небольшой шаг на этом пути, но он важен, потому что он показывает, что мы можем создавать повторяемые, управляемые квантовые системы на коммерческих заводах по производству полупроводников».

Чип, лежащий в основе исследования, действует как серия квантовых источников света, известных как микрокольцевые резонаторы. Каждое устройство имеет диаметр менее миллиметра и может производить пары тесно коррелированных фотонов — ключевой ресурс для квантовых операций.

Во время эксперимента печатную плату, содержащую чип, поместили под микроскоп на станции детектирования.

Микрокольцевые резонаторы работают путем синхронизации с падающим лазерным светом, но их характеристики очень чувствительны даже к небольшим колебаниям температуры или производственным изменениям — факторам, которые могут легко нарушить тонкие квантовые процессы, которые они поддерживают.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи разработали интегрированную систему управления, способную стабилизировать микрокольцевые резонаторы в режиме реального времени. Чип содержит 12 резонаторов, которые могут работать параллельно, каждый из которых контролируется встроенным фотодиодом и отслеживает выравнивание с лазером. Встроенные нагреватели и логическая схема автоматически регулируют резонатор, когда изменения температуры или другие помехи влияют на его работу.

«Что меня больше всего волнует, так это то, что мы встраиваем управление непосредственно в чип для стабилизации квантового процесса в реальном времени», — сказал Анируд Рамеш, аспирант Северо-Западного университета, который руководил квантовыми измерениями. «Это важный шаг на пути к масштабируемым квантовым системам».

Такое внимание к стабильности имеет решающее значение для обеспечения надежной работы каждого источника света в различных условиях. Имберт Ван, аспирант по проектированию фотонных устройств в Бостонском университете, подчеркнул техническую сложность.

«В отличие от нашей предыдущей работы, ключевой задачей было подтолкнуть конструкции фотоники к удовлетворению строгих требований квантовой оптики, оставаясь при этом в жестких ограничениях коммерческих платформ КМОП. Это позволяет совместно разрабатывать электронику и квантовую оптику как единую систему».

Слева, в центре, справа: авторы-аспиранты Имберт Ван, Даниэль Крамник и Хосеп Фаргас, второй слева и второй справа: профессор Милош Попович и профессор Прем Кумар, старшие авторы исследования.

Благодаря точному контролю каждого источника света с обратной связью чип сохраняет стабильную производительность даже при колебаниях температуры или небольших производственных различиях. Все устройство изготовлено с использованием коммерческих дополнительных процессов на основе оксидов металлов и полупроводников и разработано в сотрудничестве с отраслевыми партнерами, такими как GlobalFoundries и стартап Ayar Labs из Кремниевой долины.

Проект требовал глубокого междисциплинарного сотрудничества. «Междисциплинарное сотрудничество, необходимое для этой работы, — это именно то, что необходимо для перемещения квантовых систем из лаборатории на масштабируемую платформу», — сказал Прем Кумар, профессор Северо-Западного университета и пионер квантовой оптики. «Мы не смогли бы сделать это без совместных усилий специалистов в области электроники, фотоники и квантовых измерений».