全球首個電子-光子-量子集成芯片系統問世

來自波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學的團隊聯合開發出全球首個電子-光子-量子集成芯片系統，如《 自然電子 》最新一期報道。這是首次使用標準的 45 納米半導體制造工藝，將量子光源和穩定的控制電子電路集成在單一芯片上。這一成果為“量子光工廠”芯片的大規模生產以及大型量子系統的構建奠定了堅實基礎。

該團隊表示，這標志著可擴展量子技術發展中的一個關鍵步驟，證明了在商業半導體晶圓廠中可以構建可重復和可控的量子系統。

正如傳統電子芯片依賴于電流，而光通信系統依賴于激光一樣，未來的光量子技術將需要穩定的量子光源來進行計算、通信和傳感。為此，研究人員在硅芯片上構建了一系列“量子光工廠”——每個面積約為1平方毫米——可以可靠地產生成對的糾纏光子，這是量子信息應用的關鍵資源。

為了確保諧振器穩定地產生光子對，它們必須與注入的激光高度同步。這些設備對溫度波動和制造缺陷非常敏感——任何輕微的偏差都可能導致系統故障。

該團隊的解決方案是將主動控制系統直接集成到芯片上，以實時穩定和調整產生光子的微環諧振器。每個芯片包含12個這樣的光子源，每個光子源即使在溫度變化和相互干擾的情況下也需要精確同步。研究人員在諧振器內部嵌入了光電探測器，以持續監測其與激光的諧振。這配備了片上加熱器和控制邏輯電路，可自動微調諧振條件，確保持續的光子對生成。

該項目的一個主要挑戰是在遵循嚴格的商業互補金屬氧化物半導體（CMOS）平臺設計約束的同時，保持量子光學性能。這從一開始就需要一種協同設計方法——將電子和量子光子學視為一個統一的系統。該芯片基于標準的 45 納米 CMOS 平臺構建，具有內置的反饋穩定機制，可有效減輕溫度變化和制造誤差引起的干擾。

隨著量子光子系統在規模和復雜性上的增長，這種“量子光工廠”芯片預計將成為安全通信網絡、先進傳感技術和未來量子計算基礎設施的關鍵組件。