集微環諧振器、片上加熱器和嵌入式控制邏輯于一身，這款新芯片可實時管理12個同步量子光源。

在邁向實用量子系統的道路上，波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學的研究人員成功制造出世界上第一款集電子、光子和量子功能于一體的芯片。

這項研究展示了一種設備，該設備利用標準的45納米半導體工藝，將量子光源與穩定電子元件集成在單一平臺上。

該芯片能夠產生關聯光子對（correlated photon pairs）流。這種光粒子對于未來的量子計算、傳感和安全通信至關重要。

這是首次使用商用芯片制造技術構建出如此復雜的系統。

“量子計算、通信和傳感正經歷著從概念走向現實的漫長征程，這可能需要數十年時間，”波士頓大學副教授米洛什·波波維奇（Milo? Popovi?）說。“這是該征程中的一小步 —— 但卻是重要的一步，因為它表明我們可以在商業半導體代工廠中構建出可重復、可控的量子系統。”

每塊芯片包含十二個獨立的量子光源，每個光源占據面積不足一平方毫米。這些“量子光源工廠”由激光驅動，依靠微環諧振器（microring resonators）來產生光子對。

這些諧振器對溫度變化和制造偏差極其敏感，這些變化常常會使它們失步并擾亂光流。

為了解決這個問題，研究團隊直接將一個實時控制系統嵌入到芯片上。

“最讓我激動的是，我們將控制直接嵌入在芯片上 —— 實時穩定量子過程，”領導量子測量的西北大學博士生阿尼魯德·拉梅什（Anirudh Ramesh）說。“這是邁向可擴展量子系統的關鍵一步。”

每個諧振器內部都集成了光電二極管（Photodiodes），用于檢測與入射激光的偏差，同時片上加熱器和控制邏輯會持續修正任何漂移。即使條件波動，這種反饋回路也能讓精密的量子光生成過程保持平穩運行。

標準芯片技術，非凡功能

為了讓該系統在嚴格的商業平臺內運行，研究團隊必須重新思考量子和經典電子元件如何在芯片上共存。

“與我們之前的工作相比，一個關鍵挑戰是推動光子學設計，既要滿足量子光學的嚴格要求，又要保持在商業CMOS平臺的嚴格限制之內，”領導光子器件設計的波士頓大學博士生王英博（音譯）說。

該芯片使用由波士頓大學、加州大學伯克利分校、格羅方德半導體公司（GlobalFoundries）和艾爾實驗室（Ayar Labs）共同開發的45納米CMOS平臺制造。

該平臺以為人工智能和超級計算機互連提供動力而聞名，如今通過與西北大學的新合作，它也能實現復雜的量子光子學應用。

“我們的目標是證明復雜的量子光子系統可以完全在CMOS芯片內構建并穩定運行，”負責芯片設計和封裝的加州大學伯克利分校博士生丹尼爾·克拉姆尼克（Daniel Kramnik）說。“這需要跨領域（通常互不交流的領域）的緊密協作。”

該項目中的數名研究生研究人員已進入業界，在PsiQuantum、Ayar Labs以及Google X等初創公司繼續從事硅光子和量子計算的工作。

該研究得到了美國國家科學基金會（NSF）、帕卡德基金會（Packard Fellowship）和格羅方德半導體公司（GlobalFoundries）的支持。

這項研究發表在《自然-電子學》期刊上。

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