Първият по рода си квантов чип съчетава електроника и фотоника

GlobalFoundries направи малка крачка към мащабното производство на квантови платформи, включително процесори. За първи път на конвенционална полупроводникова линия специалистите на компанията произведоха електронно-фотонен квантов чип, съчетаващ източник на заплетени фотонни двойки и блок за управление на този източник. Самата електронна и квантова схема е разработена от учени от три американски университета, като се появява на бял свят след почти десетгодишна упорита научна работа.

Изследователи от Северозападния университет, Бостънския университет (BU) и Калифорнийския университет в Бъркли (UC Berkeley) са изградили интегрирано полупроводниково решение с вграден източник на квантова светлина. Първият по рода си силициев чип съчетава компоненти, които генерират квантова светлина (фотоника), с класически електронни схеми за управление - всичко това на площ от само един на един милиметър. По този начин чипът не само генерира квантова светлина, но разполага и с интегрирана интелигентна електронна система, която осигурява нейната стабилност.

Подобна фотонно-електронна интеграция позволява на един-единствен чип надеждно да генерира поток от фотонни двойки - основните единици, които кодират квантовата информация, необходима за квантова комуникация, приемане и обработка на светлината. Тъй като чипът е произведен в традиционна фабрика за полупроводници на GlobalFoundries, това показва възможността за серийно производство.

Откритието обещава да доведе до значителна трансформация на квантовите компютри, комуникации и сензори. Настоящите решения за стабилизиране и контрол на квантовите състояния изискват както специални условия - силно екраниране и криогенни температури - така и сложен хардуер, което затруднява миниатюризацията и мащабирането. Незначителните промени в температурата, производствените дефекти и дори топлината, генерирана от самите компоненти на квантовите вериги, могат напълно да обезсилят цялата система.

Основният генератор на заплетени двойки фотони е разработен и тестван от учените от Северозападния университет още през 2006 г. Системата работи на базата на пръстеновидни резонатори, в които е насочен фокусиран светлинен лъч. Резонаторите са ецнати в силиция и по този начин изработката им е съвместима с CMOS процеса, използван за производството на стандартните транзистори и другите компоненти на чиповете върху една и съща подложка. Когато концентрираният светлинен лъч попадне върху миниатюрните канали със съответния дизайн, които са гравирани в силиция, по естествен начин се генерират двойки фотони. Тези двойки са неразривно свързани и могат да се използват като кубити.

В новото изследване екипът от учени е интегрирал в силициев чип малки кръгли канали, всеки от които е няколко пъти по-тънък от човешки косъм. Когато мощен лазер освети тези канали, наричани микропръстеновидни резонатори, в тях се генерират двойки фотони. За да контролира светлината, екипът добавя фототокови сензори, които действат като миниатюрни монитори. Ако източникът на светлина промени параметрите си поради температурни колебания или други смущения (дължина на вълната, интензитет или фаза), сензорите изпращат сигнал до вградения нагревател, който връща източника на фотони в оптималното му състояние.

Тъй като за стабилизацията чипът използва интегрирана система за обратна връзка, поведението му остава предсказуемо въпреки външните влияния и производствените отклонения, което е от решаващо значение за мащабируемостта.