新型矽晶片實現電子、光子與量子技術的整合

來自波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學的研究人員在實用量子系統邊緣取得了重大進展，成功建造了全球首個集成電子-光子-量子晶片。這項研究展示了一種將量子光源與穩定電子元件合併於單一平台的裝置，並採用了標準的 45 奈米半導體工藝。

該晶片能夠產生一系列相關的光子對，這些光子是未來量子計算、感測和安全通信所需的關鍵粒子。這是首次使用商業晶片製造技術構建如此複雜的系統。

波士頓大學副教授 Miloš Popović 表示：「量子計算、通信和感測正在經歷從概念到現實的數十年過程。這是邁向該過程中的一小步，但意義重大，因為它顯示我們可以在商業半導體廠中構建可重複且可控的量子系統。」

每個晶片擁有十二個獨立的量子光源，每個光源的面積小於一平方毫米。這些「量子光工廠」由激光光源供電，並依賴微環共振器生成光子對。這些共振器對溫度變化和製造變異極為敏感，這常常會使其不同步並擾亂光流。

為了解決這一問題，團隊將實時控制系統嵌入晶片中。西北大學的博士生 Anirudh Ramesh 說：「最令我興奮的是我們將控制系統直接嵌入晶片中，實時穩定量子過程。這是邁向可擴展量子系統的關鍵一步。」

每個共振器內部集成了光電二極管，以檢測與進入的激光光束的錯位，並且晶片內的加熱器和控制邏輯持續修正任何漂移。這一反饋循環確保了脆弱的量子光生成過程在條件變化時仍能順利運行。

為了使系統在嚴格的商業平台上運作，團隊必須重新思考量子和經典電子元件如何在晶片上共存。波士頓大學的博士生 Imbert Wang 表示：「相對於我們之前的工作，一個關鍵挑戰是推進光子設計，以滿足量子光學的嚴格要求，同時保持在商業 CMOS 平台的嚴格限制內。」

該晶片使用的 45 奈米 CMOS 平台最初是由波士頓大學、加州大學伯克利分校、GlobalFoundries 和 Ayar Labs 共同開發的。這一平台以支持人工智能和超級計算互連而聞名，現在則通過與西北大學的新合作，實現了複雜的量子光子學。

加州大學伯克利分校的博士生 Daniel Kramnik 表示：「我們的目標是展示複雜的量子光子系統可以完全在 CMOS 晶片上構建和穩定。這需要跨越通常不會互相交流的領域進行緊密協調。」

項目中的幾位學生研究人員已經轉向行業角色，繼續在像 PsiQuantum 和 Ayar Labs 以及 Google X 等初創公司中從事矽光子學和量子計算的工作。該項目得到了美國國家科學基金會、Packard 獎學金和 GlobalFoundries 的支持。

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