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首款融合了電子、光子和量子光的混合芯片問世

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首款融合了電子、光子和量子光的混合芯片問世


這種混合芯片不僅僅是技術的融合 ， 更是時代與時代的融合 。
從人工智能到量子現實 ， 未來已濃縮于芯片之中 。 波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學的研究人員取得了一項里程碑式的成就 ， 開發出首款無縫整合電子、光子和量子元件的半導體芯片 。 這不僅僅是一個概念驗證 ， 而是一個可量產的平臺 ， 有望成為未來量子計算機、不可破解的通信系統以及超靈敏傳感器的核心 。
這款新芯片發表在《自然電子學》雜志上 ， 采用標準45納米CMOS技術制造 ， 與當今智能手機和處理器背后的工業工藝相同 。 這意義重大 。 這意味著這項量子突破不再局限于學術實驗室 ， 而是已準備好投入工廠生產 。
迄今為止 ， 量子器件脆弱、昂貴 ， 且主要依靠手工制造 。然而 ， 新芯片集成了產生和穩定 量子光（即糾纏光子）所需的所有組件 ， 而量子光幾乎是所有 量子技術的關鍵要素 。
該芯片的核心是微環諧振器 ， 這是一種微小的環形結構 ， 在激光激發下會產生糾纏光子對 。 這些“量子光工廠”比米粒還小 ， 但眾所周知 ， 它們的性能對制造過程中的熱量和微小變化非常敏感 。
該芯片包含板載傳感器、加熱器和邏輯電路 ， 即使溫度發生變化或同一芯片上的其他量子源產生干擾 ， 也能自動保持每個微環的調諧 。 結果如何？只需一小片硅片 ， 即可按需生成穩定、同步的量子光 。
“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 ， ”領導量子測量的西北大學博士生 Anirudh Ramesh 說 。
構建可擴展的量子平臺研究人員不僅構建了一個量子光源 ， 還構建了十二個量子光源 ， 它們在同一芯片上并行工作 ， 每個光源都由反饋系統自動調節和穩定 。 這些光源由片上光電二極管監控 ， 這些光電二極管跟蹤激光輸入的對準情況 ， 并通過微加熱器和集成邏輯電路進行實時校正 。
簡單來說：芯片不斷地自我監測和修復 ， 就像一個由激光供電的樂器組成的管弦樂隊 ， 在演奏時自我調整 ， 不需要指揮 。
這種內在的穩定性對于構建可擴展、模塊化的量子系統至關重要 。 通過在CMOS芯片上批量生產量子光工廠陣列 ， 業界距離構建由許多互連芯片組成的復雜系統更近了一步 ， 每個芯片負責處理一部分量子工作負載 。
領導該芯片集成的加州大學伯克利分校博士生 Daniel Kramnik 表示：“我們的目標是證明復雜的量子光子系統可以在 CMOS 芯片內完全構建和穩定 。 ”
該芯片采用CMOS制造工藝 ， 由格芯與Ayar Labs合作打造 。 Ayar Labs是一家光互連初創公司 ， 誕生于伯克利和波士頓大學的研究領域 。 用于構建人工智能超級計算機光學數據鏈路的平臺 ， 如今也成為量子計算的基礎 。
這開啟了 硅光子學的新篇章：與經典芯片具有相似規模的量子芯片。
波士頓大學教授米洛什·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 。 ”
有趣的是 ， 這款芯片中采用的相同微環諧振器也是 Nvidia人工智能計算集群光互連愿景的核心 。 隨著系統速度越來越快、運行溫度越來越高、對帶寬的需求越來越大 ， Nvidia 和 Ayar Labs 等公司正在大力投資利用光傳輸數據 。
現在 ， 同樣的硬件和制造方法也正在產生量子光 。
這種重疊并非偶然 。 硅光子學正在成為經典計算、高速光學和量子技術碰撞的通用平臺 。 隨著研究人員在這個共享平臺上構建更復雜的系統 ， 傳統芯片和量子芯片之間的界限開始變得模糊 。
【首款融合了電子、光子和量子光的混合芯片問世】該項目的成功也標志著未來量子人才培養的里程碑 。 參與該項目的多名學生現已進入頂尖初創企業和實驗室 ， 包括 PsiQuantum、Ayar Labs、Aurora 和 Google X 。
這些轉變反映了基于芯片的量子技術日益增長的勢頭 ， 它不再只是科幻小說 ， 而是現實世界基礎設施的下一階段 。
這種混合芯片不僅僅是技術的融合 ， 更是時代與時代的融合 。 從真空管到晶體管再到集成電路 ， 計算始終致力于將復雜性壓縮到芯片上 。
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