為了向實用量子系統(tǒng)邁進，波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學的研究人員制造出了世界上第一個集成電子-光子-量子芯片。

該研究展示了一種使用標準 45 納米半導體工藝在單一平臺上將量子光源與穩(wěn)定電子設備融合的設備。

該芯片可以產生相關光子對流，這些光粒子對于未來的量子計算、傳感和安全通信至關重要。

這是首次利用商業(yè)芯片制造技術構建如此復雜的系統(tǒng)。

波士頓大學副教授米洛什·波波維奇表示：“量子計算、通信和傳感從概念到現(xiàn)實還有幾十年的時間?！?/span>

“這是這條道路上的一小步，但卻是重要的一步，因為它表明我們可以在商業(yè)半導體代工廠中構建可重復、可控制的量子系統(tǒng)?！?/span>

每個芯片包含十二個獨立的量子光源，每個光源的面積不到一平方毫米。這些“量子光工廠”由激光驅動，并依靠微環(huán)諧振器產生光子對。

諧振器對溫度變化和制造差異極其敏感，這常常導致它們不同步并擾亂光流。

為了解決這個問題，該團隊將實時控制系統(tǒng)直接嵌入到芯片上。

“最讓我興奮的是，我們將控制直接嵌入到芯片上，實時穩(wěn)定量子過程，”領導此次量子測量的西北大學博士生阿尼魯?shù)隆だ肥?(Anirudh Ramesh) 說道?！斑@是邁向可擴展量子系統(tǒng)的關鍵一步。”

每個諧振器內部都集成了光電二極管，用于檢測入射激光的錯位，而片上加熱器和控制邏輯則持續(xù)校正任何漂移。即使在條件波動的情況下，這種反饋回路也能確保精密的量子光生成過程平穩(wěn)運行。

標準芯片技術，非凡功能

為了使系統(tǒng)在嚴格的商業(yè)平臺內運行，該團隊必須重新思考量子和經典電子技術如何在芯片上共存。

領導光子器件設計的波士頓大學博士生 Imbert Wang 表示：“與我們之前的工作相比，一個關鍵的挑戰(zhàn)是推動光子設計滿足量子光學的苛刻要求，同時仍遵守商業(yè) CMOS 平臺的嚴格限制?！?/span>

該芯片采用最初由波士頓大學、加州大學伯克利分校、GlobalFoundries 和 Ayar Labs 共同開發(fā)的 45 納米 CMOS 平臺構建。

該平臺以支持人工智能和超級計算互連而聞名，由于與西北大學的新合作，現(xiàn)在可以實現(xiàn)復雜的量子光子學。

“我們的目標是證明復雜的量子光子系統(tǒng)可以完全在CMOS芯片內構建和穩(wěn)定，”加州大學伯克利分校負責芯片設計和封裝的博士生丹尼爾·克拉姆尼克（Daniel Kramnik）表示。“這需要跨領域緊密協(xié)作，而這些領域通常彼此之間并不直接溝通。”

該項目的幾名學生研究員已經轉向工業(yè)界，繼續(xù)在 PsiQuantum 和 Ayar Labs 以及Google X等初創(chuàng)公司從事硅光子學和量子計算工作。

這項工作得到了美國國家科學基金會、帕卡德獎學金和 GlobalFoundries 的支持。