Исследователи из Бостонского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Северо-Западного университета создали то, что звучит как научная фантастика — «квантовую фабрику света», интегрированную в кремниевый чип площадью всего 1 мм². Этот прорыв, опубликованный в журнале Nature Electronics, может кардинально изменить индустрию, ведь чип произведен по стандартному 45-нм техпроцессу КМОП — тому же, что используется для обычных процессоров x86 и ARM.
Что такое «квантовая фабрика света»?
В основе устройства лежат 12 микроскопических кремниевых петель, известных как микрокольцевые резонаторы. Каждый такой резонатор действует как мини-фабрика по производству пар запутанных фотонов — фундаментальных строительных блоков (кубитов) для квантовых вычислений.
Процесс генерации фотонов происходит за счет спонтанного четырехволнового смешения, когда лазерный луч, проходя через резонатор, преобразуется в пары квантово-запутанных фотонов. Ранее для этого требовались громоздкие и хрупкие лабораторные установки. Теперь же все происходит на чипе размером с ноготь.
Ключевая инновация: встроенная система стабилизации
Главная проблема микрокольцевых резонаторов — их нестабильность. Малейшие изменения температуры или производственные дефекты могут сбить их с нужной частоты, прекратив генерацию фотонов.
Чтобы решить эту проблему, исследователи встроили систему обратной связи прямо в чип. Каждый резонатор оснащен собственным фотодиодом для мониторинга производительности, а также миниатюрными нагревателями и схемами управления, которые корректируют его работу в реальном времени. Такой подход к самонастройке позволяет всем 12 резонаторам работать синхронно без внешнего оборудования для стабилизации.
Почему это революция?
Выбор технологии КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) — это решающий фактор. КМОП является основой современной электроники, используемой такими гигантами, как TSMC, для массового производства чипов. Хотя 45-нм техпроцесс не является передовым, он отработан, экономически эффективен и совместим с существующей производственной инфраструктурой.
Платформа для чипа была разработана совместно с GlobalFoundries и компанией Ayar Labs, которая уже является лидером в области оптических межсоединений для искусственного интеллекта. Это доказывает, что квантовые чипы можно производить с использованием тех же промышленных методов, что и обычные CPU и GPU.
ИИ и будущее
Пересечение с миром ИИ не случайно. Глава Nvidia Дженсен Хуанг недавно назвал микрокольцевые резонаторы ключевым компонентом для масштабирования ИИ-оборудования через оптические соединения. Это исследование показывает, что та же фотонная технология может открыть путь к масштабируемым квантовым системам. В будущем квантовое и ИИ-оборудование могут использовать общие кремниевые платформы.
Если микропроцессор Intel 4004 положил начало эре массовых вычислений, то эта квантовая фабрика света может войти в историю как первый шаг к массовому производству квантового оборудования.