全球首顆 “光 - 電 - 量” 集成芯片誕生_手機行業

這款新芯片配備微環諧振器、片上加熱器和嵌入式控制邏輯，可實時管理 12 個同步量子光源。
為了向實用量子系統邁進，波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學的研究人員制造出了世界上第一個集成電子-光子-量子芯片。
電子 - 光子 - 量子芯片是一種將電子技術、光子技術和量子功能深度集成在單一芯片平臺上的創新器件，它打破了傳統芯片在信息處理、傳輸和量子功能實現上的技術壁壘，是邁向實用化量子系統的關鍵突破。
電子 - 光子 - 量子芯片并非簡單的技術疊加，而是通過精密設計實現三種組件的協同工作。

電子組件：基于傳統半導體工藝（如 45 納米 CMOS 技術），包括片上加熱器、控制邏輯電路、光電二極管等，負責實時監測芯片狀態（如溫度、激光錯位）、執行校準指令，并提供穩定的電力和信號調控，相當于芯片的 “控制系統” 。
光子組件：以微環諧振器為核心，通過激光驅動產生、傳輸光子（光粒子），承擔信息的高速傳輸功能，類似芯片的 “通信通道” 。光子傳輸具有速度快、能耗低、抗干擾性強的特點，是連接量子功能與外部系統的關鍵。
量子組件：依托光子組件產生 “相關光子對”（量子糾纏或關聯的光粒子），這些光子具有量子態特性（如疊加態、糾纏態），是實現量子計算、量子傳感等量子功能的核心 “信息載體” 。

該研究展示了一種使用標準 45 納米半導體工藝在單一平臺上將量子光源與穩定電子設備融合的設備。
該芯片可以產生相關光子對流，這些光粒子對于未來的量子計算、傳感和安全通信至關重要。
這是首次利用商業芯片制造技術構建如此復雜的系統。
波士頓大學副教授米洛什·波波維奇表示：“量子計算、通信和傳感從概念到現實還有幾十年的時間。 ”
“這是這條道路上的一小步，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可重復、可控制的量子系統。 ”
每個芯片包含十二個獨立的量子光源，每個光源的面積不到一平方毫米。這些“量子光工廠”由激光驅動，并依靠微環諧振器產生光子對。
諧振器對溫度變化和制造差異極其敏感，這常常導致它們不同步并擾亂光流。
為了解決這個問題，該團隊將實時控制系統直接嵌入到芯片上。
“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。 ”
每個諧振器內部都集成了光電二極管，用于檢測入射激光的錯位，而片上加熱器和控制邏輯則持續校正任何漂移。即使在條件波動的情況下，這種反饋回路也能確保精密的量子光生成過程平穩運行。
標準芯片技術，非凡功能為了使系統在嚴格的商業平臺內運行，該團隊必須重新思考量子和經典電子技術如何在芯片上共存。
領導光子器件設計的波士頓大學博士生 Imbert Wang 表示：“與我們之前的工作相比，一個關鍵的挑戰是推動光子設計滿足量子光學的苛刻要求，同時仍遵守商業 CMOS 平臺的嚴格限制。 ”
該芯片采用最初由波士頓大學、加州大學伯克利分校、GlobalFoundries 和 Ayar Labs 共同開發的 45 納米 CMOS 平臺構建。
該平臺以支持人工智能和超級計算互連而聞名，由于與西北大學的新合作，現在可以實現復雜的量子光子學。
“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和封裝的博士生丹尼爾·克拉姆尼克（Daniel Kramnik）表示。 “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。 ”
該項目的幾名學生研究員已經轉向工業界，繼續在 PsiQuantum 和 Ayar Labs 以及Google X等初創公司從事硅光子學和量子計算工作。
這項工作得到了美國國家科學基金會、帕卡德獎學金和 GlobalFoundries 的支持。
電子 - 光子 - 量子芯片的出現，標志著量子技術從 “理論驗證” 向 “工程化實現” 的關鍵跨越。
它證明了量子功能可以依托成熟的商用半導體工藝（如 CMOS）實現規模化生產，解決了量子器件 “依賴定制化設備、難以量產” 的核心難題；同時，通過電子 - 光子的協同調控，克服了量子系統的不穩定性，為構建可擴展、高可靠的量子網絡鋪平了道路。
未來，隨著集成度的提升和工藝的優化，這類芯片有望成為量子科技與人工智能、超級計算等領域交叉融合的 “通用平臺” ，推動人類進入量子信息時代。
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