В США создан квантово–фотонный чип на основе стандартной полупроводниковой технологии

Стремясь к созданию практических квантовых систем, исследователи из Бостонского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Северо–Западного университета создали  первый в мире интегрированный электронно-фотонный квантовый чип по стандартной полупроводниковой технологии. Как сообщается, созданное устройство объединяет квантовые источники света со стабилизирующей электроникой на одной платформе, используя стандартный 45-нанометровый полупроводниковый процесс. Чип может генерировать потоки коррелированных пар фотонов - частиц света, имеющих решающее значение для будущих квантовых вычислений, зондирования и безопасной связи.

В опубликованном сообщении указывается, что это первый случай, когда такая сложная система была создана с использованием коммерческих технологий производства чипов. “Это небольшой шаг на указанном пути, но важный, потому что он показывает, что мы можем создавать воспроизводимые, управляемые квантовые системы в коммерческих полупроводниковых литейных цехах”, - сказал один из участников этого проекта. Чип содержит двенадцать независимых квантовых источников света, каждый из которых занимает площадь менее квадратного миллиметра.

Исследователи сообщают, что эти “фабрики квантового света” питаются от лазерного излучения и используют микрорезонаторы для генерации пар фотонов. Резонаторы чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры и технологическим особенностям, что часто приводит к их рассинхронизации и нарушению светового потока. Чтобы решить эту проблему, команда разработчиков встроила систему управления в режиме реального времени непосредственно в чип. В каждый резонатор были встроены фотодиоды, которые обнаруживали несоответствие входящему лазерному излучению, в то время как встроенные нагреватели и логика управления непрерывно корректировали любое отклонение. Этот контур обратной связи обеспечивает бесперебойную работу тонкого процесса генерации квантового света даже при изменении условий.

Чтобы заставить систему работать в рамках строгой коммерческой платформы, команда исследователей указала, как ей пришлось переосмыслить, как квантовая и классическая электроника сосуществуют на чипе. “Ключевой задачей по сравнению с нашей предыдущей работой было привести дизайн фотоники в соответствие с высокими требованиями квантовой оптики, оставаясь при этом в рамках жестких ограничений коммерческой КМОП-платформы”, - указали исследователи. Чип был создан с использованием 45-нанометровой КМОП-платформы, первоначально разработанной совместно Бостонским университетом, Калифорнийским университетом в Беркли, GlobalFoundries и Ayar Labs. Эта же платформа, известная благодаря использованию искусственного интеллекта и суперкомпьютерных межсоединений, теперь позволяет использовать сложную квантовую фотонику благодаря сотрудничеству с одним из крупнейших многопрофильных вузов США с высокой исследовательской активностью Northwestern University.

“Нашей целью было показать, что сложные квантовые фотонные системы могут быть созданы и стабилизированы полностью в рамках КМОП-чипа”, - указали исследователи. “Это потребовало тесной координации между доменами, которые обычно не взаимодействуют друг с другом”.

Несколько студентов-исследователей из этого проекта уже перешли на работу в отрасли, продолжая работать в области кремниевой фотоники и квантовых вычислений в таких стартапах, как PsiQuantum и Ayar Labs, а также в Google X. Работа была поддержана Национальным научным фондом США, стипендией Паккарда и GlobalFoundries.

Результаты и ход исследования опубликованы в журнале Nature Electronics.