根据《自然电子学》发表的一项新研究，来自波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的研究人员开发出一种集成系统，将电子、光子和量子元件集成在单个半导体芯片上，这在量子技术领域尚属首创。该团队的研究提出了一种使用传统电子设备中常用的半导体制造工艺来批量生产“量子光工厂”的方法。
新芯片采用标准45纳米半导体工艺集成量子光源和电子控制器。这种方法为在计算、通信和传感领域扩展量子系统铺平了道路，而这些领域传统上依赖于局限于实验室环境下的手工制造设备。
“量子计算、通信和传感从概念到现实，还有几十年的时间，”波士顿大学电气与计算机工程副教授、该研究的资深作者米洛什·波波维奇（Miloš Popović）表示。“这只是这条道路上的一小步，但却是重要的一步，因为它表明我们可以在商业半导体代工厂中构建可重复、可控的量子系统。”
该研究的核心芯片充当着一系列量子光源，即微环谐振器。每个器件的直径都小于一毫米，可以产生紧密关联的光子对，这是量子操作的关键资源。
实验期间将装有芯片的封装电路板放置在探测站的显微镜下。
微环谐振器通过与入射激光同步来运行，但它们的性能对即使是轻微的温度波动或制造变化也高度敏感——这些因素很容易破坏它们支持的精细量子过程。
为了应对这些挑战，研究人员开发了一种能够实时稳定微环谐振器的集成控制系统。该芯片包含12个可并行工作的谐振器，每个谐振器均由内置光电二极管监控，并跟踪与激光器的对准情况。片上加热器和逻辑电路会在温度变化或其他干扰影响谐振器性能时自动调整谐振器。
“最让我兴奋的是，我们将控制直接嵌入到芯片上，实时稳定量子过程，”领导此次量子测量的西北大学博士生阿尼鲁德·拉梅什 (Anirudh Ramesh) 说道。“这是迈向可扩展量子系统的关键一步。”
这种对稳定性的关注对于确保每个光源在不同条件下都能可靠运行至关重要。波士顿大学光子器件设计专业的博士生Imbert Wang强调了其技术复杂性。
“与我们之前的工作相比，一个关键挑战是推动光子学设计满足量子光学的严苛要求，同时又不超出商用CMOS平台的严格限制。这使得电子学和量子光学能够作为一个统一的系统进行共同设计。”
左、中、右：研究生作者 Imbert Wang、Daniel Kramnik 和 Josep Fargas，左二和右二：该研究的资深作者 Milos Popovic 教授和 Prem Kumar 教授。
通过对每个光源进行严格的反馈控制，该芯片即使在温度波动或微小制造差异的情况下也能保持一致的性能。整个器件采用商用互补金属氧化物半导体工艺制造，并与格罗方德（GlobalFoundries）和硅谷初创公司Ayar Labs等行业合作伙伴合作开发。
该项目需要深入的跨学科合作。“这项工作所需的跨学科合作正是将量子系统从实验室转移到可扩展平台所需要的，”西北大学教授、量子光学先驱普雷姆·库马尔（Prem Kumar）表示。“如果没有电子学、光子学和量子测量领域的共同努力，我们不可能做到这一点。”
