Он станет ключевым элементом электроники будущего.
Миниатюрную фотонную квантовую систему впервые удалось разместить на пригодном к массовому производству традиционном электронном чипе.
Он объединил как квантовые компоненты, генерирующие свет (фотонику), так и классические электронные схемы управления — и все это в области размером всего 1×1 мм. То есть компонент не только производит квантовый свет, но и оснащен встроенной интеллектуальной системой поддержания его идеальной стабильности.
Такая фотонно-электронная интеграция позволяет микросхеме надежно генерировать пары фотонов — базовые единицы, кодирующие квантовую информацию, — необходимые для световой квантовой связи, сенсорики и обработки данных.
Описанный в журнале Nature Electronics прототип изготовлен на коммерческом полупроводниковом производстве, что означает его абсолютную пригодность для крупномасштабного выпуска.
«Квантовые эксперименты в лаборатории обычно требуют громоздкого оборудования, которое работает только в идеальных условиях. Мы уменьшили многие из этих электронных компонентов и разместили их на одном чипе. Теперь у нас есть схема со встроенным электронным управлением, стабилизирующим квантовый процесс в реальном времени. Это ключевой шаг к масштабируемым квантовым фотонным системам», — пояснил физик Анирудх Рамеш из Северо-Западного университета (NU), руководивший квантовыми измерениями.
«Впервые мы добились монолитной интеграции электроники, фотоники и квантовых технологий. Это большое достижение, потому что совместить электронику и фотонику непросто. Потребовались совместные усилия междисциплинарной команды физиков, инженеров-электронщиков, специалистов по информатике, материаловедению и производству. Наш чип открывает возможности не только для вычислений, но и для сенсорики и коммуникаций», — поделился один из старших авторов исследования профессор NU Прем Кумар.
Собственный свет и самостабилизация
Кремниевые чипы массового серийного производства могли бы быть идеальной платформой для световых квантовых систем. Если бы не одно «но»: для их работы нужны условия, которые непросто обеспечить. Даже незначительные колебания температуры, незаметные производственные дефекты или тепло, выделяемое собственными компонентами, могут полностью нарушить работу всей квантовой системы. Для контроля таких влияний до сих пор применялось крупное внешнее оборудование, что делало невозможной миниатюризацию полных систем.
Генерация квантового света в кремнии, которую команда использовала в своих устройствах, впервые была продемонстрирована в эксперименте 2006 года в лаборатории Кумара. Тогда профессор и его коллеги показали, что направление концентрированного луча света в крошечные каналы, вытравленные в кремнии, естественным образом порождает пары фотонов. Изначально связанные, они могут служить кубитами.
Ученые сумели интегрировать эти миниатюрные кольцеобразные каналы — каждый тоньше человеческого волоса — в кремниевый чип. Когда мощный лазер освещает эти микрокольцевые резонаторы, они генерируют пары фотонов. Для управления светом ученые добавили фотоэлектрические датчики, которые действуют как крошечные мониторы. Если источник света отклоняется из-за колебаний температуры или других помех, датчики отправляют сигнал миниатюрному нагревателю, который возвращает источник фотонов в оптимальное состояние.
Благодаря встроенной обратной связи чип ведет себя предсказуемо, несмотря на изменения температуры и производственные вариации, что критически важно для масштабирования квантовых систем. При этом ему не нужно громоздкое внешнее оборудование.
«Наша цель состояла в том, чтобы показать, что сложные квантовые фотонные системы могут быть созданы и стабилизированы полностью внутри CMOS-чипа. Это потребовало тесной координации между областями, которые обычно не взаимодействуют», — заметил Даниэлиус Крамник из Калифорнийского университета в Беркли.
Будущее заводского производства
Чтобы обеспечить возможность изготовления сложного квантового чипа с использованием стандартного CMOS-процесса, ученые продумали необычную стратегию проектирования. Они внедрили фотонные компоненты прямо в существующие техпроцессы коммерческого производства компьютерных чипов.
«Мы адаптировали фотонику под жесткие ограничения коммерческой CMOS-платформы, — уточнил Имберт Ван из Бостонского университета. — Именно это позволило совместно проектировать электронику и квантовую оптику как единую систему».
По мере усложнения квантовых фотонных систем эти квантовые чипы могут стать строительными блоками для технологий — от защищенных коммуникационных сетей до передовых сенсоров и, в конечном итоге, инфраструктуры квантовых вычислений.
«Квантовые вычисления, связь и сенсорика проходят многолетний путь от концепции к реальности. Это небольшой, но важный шаг на этом пути, потому что он показал, как мы можем создавать повторяемые и управляемые квантовые системы на коммерческих полупроводниковых производствах», — подытожил старший автор исследования Милош Попович из Бостонского университета.