這款創(chuàng)新芯片大小僅為1毫米×1毫米，在極小的面積內(nèi)同時(shí)集成了量子光子器件與經(jīng)典電子控制電路。它不僅能夠產(chǎn)生用于量子通信、傳感和計(jì)算的光子對(duì)，還能通過內(nèi)建的智能電子系統(tǒng)實(shí)時(shí)穩(wěn)定輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子光的自主調(diào)控。

　　更具突破性的是，該芯片由商業(yè)半導(dǎo)體晶圓廠制造完成，顯示出其具備規(guī)模化生產(chǎn)的潛力。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表在《自然電子學(xué)》(Nature Electronics)期刊上。

　　“以往的量子實(shí)驗(yàn)依賴體積龐大、對(duì)環(huán)境極為苛刻的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，”該項(xiàng)目量子測(cè)量負(fù)責(zé)人、西北大學(xué)的Anirudh Ramesh表示，“而我們將多個(gè)關(guān)鍵電子功能微縮整合在一個(gè)芯片中，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)穩(wěn)定量子過程控制。這是邁向可擴(kuò)展量子光子系統(tǒng)的重要一步。”

　　西北大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授、光子通信與計(jì)算中心主任Prem Kumar指出：“這是首次實(shí)現(xiàn)了單芯片的電子、光子與量子系統(tǒng)的集成。要將電子學(xué)與光子學(xué)融合并不容易，這是物理學(xué)家、工程師、材料科學(xué)家與制造專家跨學(xué)科協(xié)作的成果。這款芯片未來將在量子計(jì)算、通信及傳感等多個(gè)領(lǐng)域開啟新可能。”

　　芯片自發(fā)量子光、具備自我穩(wěn)定能力

　　由于可采用與常規(guī)電子芯片相同的大規(guī)模生產(chǎn)工藝制造，硅芯片被視為構(gòu)建光基量子系統(tǒng)的理想平臺(tái)。

　　然而，穩(wěn)定運(yùn)行這些微型量子光學(xué)器件所需的精準(zhǔn)控制能力，長期以來超出了現(xiàn)有商業(yè)晶圓廠的標(biāo)準(zhǔn)。微小的溫度變化、制造誤差，甚至芯片自身產(chǎn)生的熱量，都可能干擾整個(gè)量子系統(tǒng)。

　　為維持穩(wěn)定，研究人員過去只能依賴大型外部設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，使得系統(tǒng)難以小型化。而此次，研究團(tuán)隊(duì)成功地將關(guān)鍵控制功能內(nèi)建于芯片之中，消除了對(duì)外部設(shè)備的依賴。

　　早在2006年，Kumar團(tuán)隊(duì)就在《光學(xué)快報(bào)》(Optics Express)上首次展示了通過在硅片中刻蝕微小光路，并注入高強(qiáng)度激光，可自然產(chǎn)生成對(duì)的光子(即量子比特)。

　　此次新研究中，研究人員將這些微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)(直徑遠(yuǎn)小于頭發(fā)絲)集成于芯片內(nèi)，當(dāng)激光照射時(shí)即可產(chǎn)生光子對(duì)。芯片還配備了光電流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光源變化;一旦溫度擾動(dòng)引起光漂移，傳感器便會(huì)觸發(fā)微型加熱器進(jìn)行補(bǔ)償，使光源恢復(fù)至最佳狀態(tài)。

　　正是由于這一閉環(huán)反饋控制機(jī)制，芯片在面對(duì)環(huán)境變化與制造誤差時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，為未來量子系統(tǒng)的擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

　　“我們的目標(biāo)是證明，復(fù)雜的量子光子系統(tǒng)可以完全在CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)芯片中構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，”UC伯克利的Danielius Kramnik表示，“這需要多個(gè)傳統(tǒng)上不相關(guān)的領(lǐng)域密切協(xié)同。”

　　量產(chǎn)可期，邁向?qū)嵱没孔蛹夹g(shù)

　　為了確保芯片能在標(biāo)準(zhǔn)CMOS生產(chǎn)線上制造，研究團(tuán)隊(duì)采用了巧妙的協(xié)同設(shè)計(jì)策略，將光子元件直接構(gòu)建在商用CMOS結(jié)構(gòu)中。

　　BU的Imbert Wang指出：“我們?cè)贑MOS的嚴(yán)格工藝限制下推動(dòng)了光子器件的適配，實(shí)現(xiàn)了電子學(xué)與量子光學(xué)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)。”

　　隨著量子光子系統(tǒng)向更大規(guī)模和更高復(fù)雜度發(fā)展，此類高度集成的芯片有望成為構(gòu)建安全通信網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)傳感器，甚至未來量子計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的核心構(gòu)件。

　　“量子計(jì)算、通信與傳感正處于從概念走向現(xiàn)實(shí)的長期演進(jìn)之路上，”波士頓大學(xué)教授、研究資深作者M(jìn)ilo? Popovi?表示，“這只是其中一步，但意義重大，因?yàn)樗砻魑覀兛梢栽谏虡I(yè)晶圓廠中重復(fù)制造可控的量子系統(tǒng)。”

　　本研究由美國國家科學(xué)基金會(huì)、帕卡德科學(xué)與工程獎(jiǎng)學(xué)金基金會(huì)及Catalyst基金會(huì)資助，芯片制造由Ayar Labs與格羅方德(GlobalFoundries)提供技術(shù)支持。