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來源：內容來自scitechdaily。

一個跨學科學術團隊成功地將量子光源和控制電子設備集成到單個硅芯片上。

波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學的研究人員開發出首款集成電子、光子和量子元件的芯片，這是量子技術的一項重大進展。他們的研究成果發表在《自然電子學》雜志上，描述了一種將量子光源與穩定電子元件融合的系統，所有這些都采用標準的45納米半導體工藝制造。

實驗中，裝有芯片的封裝電路板被放置在顯微鏡下進行探測。圖片來源：波士頓大學

這種集成技術使芯片能夠產生連續的相關光子對（光粒子）流，而這些光子對是許多量子應用的基本組成部分。這一突破標志著朝著“量子光工廠”芯片的大規模生產以及由多個互連芯片組成的更復雜量子系統的發展邁出了重要一步。

“量子計算、通信和傳感從概念到現實，還有幾十年的時間，”波士頓大學電氣與計算機工程副教授、該研究的資深作者米洛什·波波維奇 (Milo? Popovi?) 表示。“這只是這條道路上的一小步，但卻意義重大，因為它表明我們可以在商業半導體代工廠中構建可重復、可控的量子系統。”

“這項工作所需的跨學科合作正是將量子系統從實驗室轉移到可擴展平臺所需要的，”西北大學電氣與計算機工程教授、量子光學先驅普雷姆·庫馬爾（Prem Kumar）表示。“如果沒有電子學、光子學和量子測量領域的共同努力，我們不可能做到這一點。”

• 打造基于芯片的“量子光工廠”

正如電子芯片由電流驅動，光通信鏈路由激光驅動一樣，未來的量子技術需要源源不斷的量子光資源單元來發揮作用。為了滿足這一需求，研究人員在硅芯片上創建了一個“量子光工廠”陣列，每個工廠的尺寸都小于1毫米×1毫米。

在芯片上生成光的量子態需要精密設計的光子器件，具體來說，就是微環諧振器（Nvidia 首席執行官黃仁勛最近指出，這種器件是 Nvidia 未來通過光互連技術擴展其 AI 計算硬件的關鍵）。為了生成以相關光子對形式出現的量子光流，諧振器必須與為芯片上每個量子光工廠提供能量（并用作生成過程的“燃料”）的入射激光同步調諧。但這些器件對溫度和制造工藝的差異極其敏感，這可能導致它們失去同步，并干擾量子光的穩定生成。

為了應對這一挑戰，該團隊構建了一個集成系統，可以主動穩定芯片上的量子光源——具體來說，就是產生關聯光子流的硅微環諧振器。每個芯片包含12個可并行操作的量子光源，每個諧振器必須與其入射激光保持同步，即使在存在溫度漂移和來自附近設備（包括芯片上其他11個光子對源）的干擾的情況下也是如此。

• 嵌入實時量子控制

“最讓我興奮的是，我們將控制直接嵌入到芯片上，實時穩定量子過程，”領導此次量子測量的西北大學博士生阿尼魯德·拉梅什 (Anirudh Ramesh) 說道。“這是邁向可擴展量子系統的關鍵一步。”

眾所周知，作為量子光源構建模塊的微環諧振器具有極高的靈敏度，這既是優點也是缺點。正因如此，它們才能在最小的芯片面積內高效地產生量子光流。然而，溫度的微小變化也可能導致光子對的產生過程脫軌。由波士頓大學領導的團隊通過在諧振器內部集成光電二極管解決了這個問題，這種集成方式既能監測入射激光的對準度，又能保持量子光的產生。片上加熱器和控制邏輯會根據漂移不斷調整諧振頻率。

“與我們之前的工作相比，一個關鍵挑戰是推動光子學設計滿足量子光學的嚴苛要求，同時又要遵循商用CMOS平臺的嚴格限制，”領導此次光子器件設計的波士頓大學博士生Imbert Wang說道。“這使得電子學和量子光學能夠作為一個統一的系統進行協同設計。”

由于該芯片采用內置反饋來穩定每個光源，因此即使溫度和制造工藝發生變化，其性能也能保持可預測性——這是量子系統規模化發展的基本要求。該芯片采用商用 45 納米互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 芯片平臺制造，該平臺最初由波士頓大學、加州大學伯克利分校、格芯和硅谷初創公司 Ayar Labs 密切合作開發。Ayar Labs 源于兩所大學的研究成果，現已成為光互連芯片領域的行業領導者。通過與西北大學的新合作，同樣的制造工藝不僅可以實現用于人工智能和超級計算的先進光互連，而且正如研究所示，還可以在可擴展的硅平臺上實現復雜的量子光子系統。

“我們的目標是證明復雜的量子光子系統可以完全在CMOS芯片內構建和穩定，”加州大學伯克利分校負責芯片設計、封裝和集成的博士生Daniel Kramnik說道。“這需要跨領域緊密協作，而這些領域通常彼此之間并不直接溝通。”

隨著量子光子系統規模和復雜性的不斷進步，這樣的芯片可能成為從安全通信網絡到先進傳感以及最終量子計算基礎設施等技術的基石。

此后，幾位研究生作者繼續在工業界推進硅光子學和量子技術的發展。Josep Maria Fargas Cabanillas 和 Anirudh Ramesh 目前就職于光子量子計算機初創公司 PsiQuantum，而 Dor?e Gluhovi? 和 Sidney Buchbinder 則加入了 Ayar Labs。Imbert Wang 目前就職于 Aurora。Daniel Kramnik 目前就職于 Google X，并致力于創辦一家硅光子初創公司。這些發展軌跡反映了硅光子學日益增長的勢頭，不僅在擴展當今的人工智能計算基礎設施方面，而且在長期內，它還將助力實現可擴展的基于芯片的量子系統。

參考文獻：“CMOS芯片上量子光源的可擴展反饋穩定性”，作者：Danielius Kramnik、Imbert Wang、Anirudh Ramesh、Josep M. Fargas Cabanillas、Dor?e Gluhovi?、Sidney Buchbinder、Panagiotis Zarkos、Christos Adamopoulos、Prem Kumar、Vladimir M. Stojanovi? 和 Milo? A. Popovi?，2025年7月14日，《自然·電子學》。DOI
：10.1038/s41928-025-01410-5

這項研究得到了美國國家科學基金會（NSF）的支持，包括其未來半導體（FuSe）項目、帕卡德科學與工程獎學金以及催化劑基金會（Catalyst Foundation）。芯片制造由Ayar Labs和GlobalFoundries提供。

https://scitechdaily.com/worlds-first-hybrid-chip-combines-electronics-photonics-and-quantum-power/

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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