Boston Universiteti tərəfindən

Gaby Clark tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriTəcrübə zamanı sınaq zamanı mikroskop altında yerləşdirilən çipi ehtiva edən paketlənmiş dövrə lövhəsi. Kredit: Boston Universiteti

Nature Electronics- də dərc olunan araşdırmaya görə, miqyaslana bilən kvant texnologiyaları üçün bir mərhələ olaraq, Boston Universiteti, UC Berkeley və Şimal-Qərb Universitetinin alimləri çip üzərində dünyanın ilk elektron-fotonik-kvant sistemi haqqında məlumat verdilər .

Sistem, inkişaf etməkdə olan kvant texnologiyaları üçün əsas resurs olan korrelyasiya olunmuş foton cütlərinin (işığın hissəciklərinin) etibarlı axınlarını yaratmaq üçün standart 45 nanometr yarımkeçirici istehsal prosesindən istifadə edərək kvant işıq mənbələrini və stabilləşdirici elektronikanı birləşdirir. İrəliləyiş kütləvi istehsal olunan “kvant işıq fabriki” çiplərinə və bir çox belə çiplərdən birlikdə işləyən genişmiqyaslı kvant sistemlərinə yol açır.

BU-nun elektrik və kompüter mühəndisliyi kafedrasının dosenti və tədqiqatın baş müəllifi Miloš Popović deyir: “Kvant hesablama, rabitə və hissetmə konsepsiyadan reallığa doğru onilliklər boyu davam edən yoldadır”. “Bu, bu yolda kiçik bir addımdır, lakin vacib bir addımdır, çünki bu, kommersiya yarımkeçirici tökmə zavodlarında təkrarlana bilən, idarə oluna bilən kvant sistemləri qura biləcəyimizi göstərir.”

Şimal-Qərbdə elektrik və kompüter mühəndisliyi professoru və kvant optikasında qabaqcıl olan Prem Kumar deyir : “Bu işin tələb etdiyi fənlərarası əməkdaşlıq növü kvant sistemlərini laboratoriyadan miqyaslı platformalara köçürmək üçün lazım olan şeydir”. “Biz bunu elektronika, fotonika və kvant ölçmə sahəsində birgə səylər olmadan edə bilməzdik.”

Elektron çiplər elektrik cərəyanları və lazer işığı ilə optik rabitə əlaqələri ilə təchiz edildiyi kimi , gələcək kvant texnologiyaları da öz funksiyalarını yerinə yetirmək üçün kvant işıq resurs vahidlərinin sabit axını tələb edəcək. Bunu təmin etmək üçün tədqiqatçıların işi silikon çip üzərində hər birinin ölçüsü millimetrdən millimetrdən az olan “kvant işıq fabrikləri” silsiləsi yaratdı.

Çipdə kvant işıq vəziyyəti yaratmaq üçün dəqiq şəkildə işlənmiş fotonik cihazlar , xüsusən də mikroring rezonatorlar tələb olunur ( bu yaxınlarda Nvidia CEO Jensen Huang tərəfindən Nvidia-nın optik qarşılıqlı əlaqə vasitəsilə AI hesablama aparatının gələcək miqyasının ayrılmaz hissəsi kimi müəyyən edilmiş eyni cihazlar ).

Əlaqəli foton cütləri şəklində kvant işığı axınlarını yaratmaq üçün rezonatorlar çipdəki hər bir kvant işıq zavodunu gücləndirən (və istehsal prosesi üçün yanacaq kimi istifadə olunan) daxil olan lazer işığı ilə sinxronlaşdırılmalıdır. Lakin bu cihazlar temperatur və istehsal dəyişikliklərinə son dərəcə həssasdır ki, bu da onları sinxronizasiyadan kənarlaşdıra və kvant işığının davamlı nəslini poza bilər.

Bu problemi həll etmək üçün komanda çipdə kvant işıq mənbələrini, xüsusən korrelyasiya edilmiş fotonların axınlarını yaradan silikon mikroring rezonatorlarını aktiv şəkildə sabitləşdirən inteqrasiya olunmuş sistem qurdu. Hər bir çip paralel olaraq işləyə bilən on iki belə mənbədən ibarətdir və hər bir rezonator hətta çipdəki digər on bir foton cüt mənbəyi də daxil olmaqla, temperatur sürüşməsi və yaxınlıqdakı cihazlardan müdaxilə olduqda belə, daxil olan lazer işığı ilə sinxron qalmalıdır.Elektron-fotonik kvant sistemi-çip. Kredit: Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01410-5

“Məni ən çox həyəcanlandıran odur ki, biz idarəni birbaşa çipə yerləşdirdik – real vaxtda kvant prosesini sabitləşdirdik” – Ph.D Anirudh Ramesh deyir. Şimal-Qərbdə kvant ölçmələrinə rəhbərlik edən tələbə. “Bu, genişlənə bilən kvant sistemlərinə doğru kritik bir addımdır.”

Kvant işıq mənbələri üçün tikinti blokları olan mikroring rezonatorlarının həddindən artıq həssaslığı yaxşı məlumdur və həm xeyir, həm də lənətdir. Məhz buna görə də onların kvant işıq axınlarını səmərəli və minimal çip sahəsində yarada bilməsi. Bununla belə, temperaturun kiçik dəyişmələri foton cütünün yaranması prosesini poza bilər.

BU-nun rəhbərlik etdiyi komanda, kvant işığının nəslini qoruyarkən, gələn lazerlə uyğunlaşmaya nəzarət edən bir şəkildə rezonatorların içərisinə fotodiodları inteqrasiya etməklə bunu həll etdi. Çip üzərindəki qızdırıcılar və idarəetmə məntiqi sürüşməyə cavab olaraq rezonansı davamlı olaraq tənzimləyir.

“Əvvəlki işimizə nisbətən əsas problem kommersiya CMOS platformasının ciddi məhdudiyyətləri daxilində qalaraq kvant optikasının tələblərinə cavab vermək üçün fotonik dizaynı təkan vermək idi”, – Ph.D Imbert Wang deyir. fotonik cihaz dizaynına rəhbərlik edən Boston Universitetinin tələbəsi. “Bu, elektronika və kvant optikanın vahid sistem kimi birgə dizaynını təmin etdi.”

Çip hər bir mənbəni sabitləşdirmək üçün daxili rəydən istifadə etdiyinə görə, temperatur dəyişikliklərinə və istehsal dəyişikliklərinə baxmayaraq, proqnozlaşdırıla bilən şəkildə davranır – kvant sistemlərinin genişləndirilməsi üçün vacib tələbdir. O, ilkin olaraq BU, UC Berkeley, GlobalFoundries və Silikon Vadisi startapı Ayar Labs arasında sıx əməkdaşlıq nəticəsində hazırlanmış, iki universitetdə aparılan tədqiqatlar nəticəsində yaranan və indi optik interconnect çipləri sahəsində sənaye lideri olan 45 nanometrlik tamamlayıcı metal-oksid yarımkeçirici (CMOS) kommersiya çip platformasında hazırlanmışdır.

Northwestern ilə yeni əməkdaşlıq sayəsində həmin istehsal prosesi indi təkcə süni intellekt və super hesablamalar üçün qabaqcıl optik qarşılıqlı əlaqəni deyil, həm də tədqiqatda göstərildiyi kimi, miqyaslana bilən silikon platformasında kompleks kvant fotonik sistemlərini təmin edir.

“Məqsədimiz mürəkkəb kvant fotonik sistemlərinin tamamilə CMOS çipi daxilində qurulub sabitləşdirilə biləcəyini göstərmək idi” – Ph.D Daniel Kramnik deyir. UC Berkeley-də çip dizaynı, qablaşdırma və inteqrasiyaya rəhbərlik edən tələbə. “Bu, adətən bir-biri ilə danışmayan domenlər arasında sıx koordinasiya tələb edirdi.”

Kvant fotonik sistemləri miqyasda və mürəkkəblikdə irəlilədikcə, bu kimi çiplər təhlükəsiz rabitə şəbəkələrindən qabaqcıl zondlamaya və nəhayət, kvant hesablama infrastrukturuna qədər texnologiyalar üçün tikinti bloklarına çevrilə bilər.

Daha çox məlumat: Danielius Kramnik və digərləri, CMOS çipində kvant işıq mənbələrinin miqyaslı əks əlaqə sabitləşməsi, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01410-5

Jurnal məlumatı: Nature Electronics Boston Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir 

Daha çox araşdırın