Создан первый в мире гибридный чип, объединяющий фотонику, электронику и квантовые вычисления

Исследователи из Бостонского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Северо-Западного университета создали нечто, напоминающее сюжет научно-фантастического фильма: «квантовую фабрику света», размещённую на кремниевом чипе площадью всего 1 мм². Чип изготовлен по стандартному 45-нм CMOS-процессу — такому же, как и обычные процессоры x86 и ARM. Это достижение приближает квантовые технологии к массовому производству. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Electronics.

Этот чип можно считать прототипом будущей квантовой производственной линии. Он содержит 12 крошечных кремниевых колец, называемых «микрокольцевыми резонаторами», каждое из которых генерирует пары фотонов с особыми квантовыми свойствами. Обычно для создания таких фотонных пар требуются громоздкие лабораторные установки, но здесь они производятся прямо на чипе размером с ноготь.

Главное достижение — не только генерация квантового света, но и его стабилизация. Микрокольцевые резонаторы чувствительны к изменениям температуры и производственным дефектам, что может нарушить их работу. Чтобы решить эту проблему, исследователи встроили в чип систему обратной связи: каждый резонатор оснащён фотодиодом для мониторинга работы, миниатюрными нагревателями и управляющими схемами, которые корректируют его работу в реальном времени. Это позволяет всем 12 резонаторам работать синхронно без громоздкого стабилизирующего оборудования.

«Это небольшой, но важный шаг, — говорит Милош Попович, доцент Бостонского университета и один из авторов исследования. — Мы показали, что можем создавать повторяемые и управляемые квантовые системы на коммерческих полупроводниковых фабриках».

Плата с экспериментальным чипом. / Изображение: Boston University

Ключевой момент — использование CMOS-технологии, которая лежит в основе современной электроники. 45-нм процесс, хоть и не самый передовой, доказал свою эффективность и совместимость с существующей инфраструктурой производства. Чип был создан на платформе, разработанной совместно с GlobalFoundries и Ayar Labs — компанией, специализирующейся на оптических соединениях для ИИ и высокопроизводительных вычислений.

Связь с миром ИИ не случайна. Генеральный директор Nvidia Дженсен Хуанг недавно назвал микрокольцевые резонаторы ключевыми компонентами для масштабирования ИИ-оборудования через оптические соединения. Новое исследование показывает, что та же фотоника может открыть путь к масштабируемым квантовым системам. В будущем квантовые и ИИ-чипы могут использовать схожие кремниевые платформы.

Термин «квантовая фабрика света» выбран не просто так. Подобно тому, как классические чипы работают с потоками электронов, а оптические сети — с лазерным излучением, квантовым технологиям нужен стабильный источник квантового света. Доказав, что такие источники можно создавать и стабилизировать на кремнии, исследователи открыли путь к массовому производству квантового оборудования.

Команда исследователей, работавших над проектом. / Изображение: Boston University

Некоторые участники проекта уже перешли в индустрию, присоединившись к таким компаниям, как PsiQuantum, Ayar Labs и Google X, которые активно инвестируют в фотонные и квантовые технологии. Это ещё один признак того, что данная область быстро переходит от академических исследований к реальным продуктам.

Проект поддержан Национальным научным фондом США, программой Future of Semiconductors (FuSe) и фондом Packard Fellowship. Он демонстрирует, насколько далеко может зайти междисциплинарное сотрудничество: фотоника, электроника и квантовая оптика объединены в одном коммерческом продукте.

Если микропроцессор Intel 4004 положил начало массовому производству вычислительной техники, то эта «квантовая фабрика света» может стать первым шагом к массовому производству квантового оборудования. То, что раньше занимало целую лабораторию, теперь умещается на кремниевой пластине — и это прорыв, заслуживающий внимания.

Источник: Tomshardware.com