據最新一期《自然·電子學》雜志報道，美國波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學團隊聯合，開發出全球首個電子—光子—量子一體化芯片系統。這是首次在一塊芯片上集成了量子光源與穩定控制電子電路，并采用標準的45納米半導體制造工藝。其為批量化生產“量子光工廠”芯片、構建大規模量子系統奠定了基礎。
實驗過程中，裝有芯片的封裝電路板被置于探針臺顯微鏡下進行測試。圖片來源：美國波士頓大學
團隊表示，在可擴展量子技術的發展歷程中，這是關鍵一步，它表明人們可以在商用半導體工廠中構建可重復、可控的量子系統。
就像傳統電子芯片依賴電流、光通信系統依賴激光，未來的光量子技術也需要穩定的“量子光”資源來實現運算、通信或感知。為此，研究人員在硅芯片上構建了一組“量子光工廠”，每個僅約1毫米見方，卻能穩定產生成對相關光子，這是量子信息應用的關鍵資源。
要使這些諧振器穩定地產生光子對，必須確保它們與注入的激光保持高度同步。而且器件對溫度變化和制造誤差極為敏感，稍有偏差就可能導致整個系統失效。
團隊的解決方案是在芯片內部集成主動控制系統，對產生光子的微環諧振器進行實時穩定調控。每塊芯片包含12個這樣的光子源，每個都需在溫度波動和相互干擾下保持高精度同步運行。研究人員在諧振器內部嵌入了光電探測器，能實時監測其與激光的匹配狀態，并通過片上加熱器和控制邏輯電路，自動微調共振條件，以確保光子對穩定產生。
此次一個關鍵挑戰是，在保持量子光學性能的同時，把光子器件設計限制在商業互補金屬氧化物半導體(CMOS)平臺的嚴格規范之內。這要求團隊從一開始就將電子與量子光學作為統一系統進行協同設計。而該芯片采用了標準的45納米CMOS平臺，具備內建反饋穩定機制，能有效應對溫度變化與制造誤差帶來的干擾。
隨著量子光子系統規模與復雜度不斷提升，此類“量子光工廠”芯片有望成為安全通信網絡、先進傳感設備乃至未來量子計算基礎設施的關鍵構建單元。
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