全球首颗电子-光子-量子集成芯片问世,45纳米CMOS工艺实现12量子光源稳定调控

2025-09-29 07:01:27 4184次浏览

  

这款创新芯片集成了微环谐振器、片上加热器和嵌入式控制逻辑,能够实时调控12个同步量子光源的运行状态。

在推进实用化量子系统的进程中,来自波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的研究团队成功研制出全球首款电子-光子-量子集成芯片。

< p>电子-光子-量子芯片并非简单拼凑现有技术,而是通过精密设计将电子技术、光子技术和量子功能有机融合于单一芯片平台。这一突破性进展打破了传统芯片在信息处理、传输和量子功 能实现方面的技术壁垒,标志着量子技术从实验室走向产业化应用的关键跨越。

该芯片采用标准45纳米CMOS工艺制造,实现了三大功能组件的协同运作:

电子组件作为"控制系统",包含基于传统半导体工艺的片上加热器、控制逻辑电  路和光电二极管,负责实时监测芯片状态并执行校准指令;

光子组件充当"通信通道",以微环谐振器为核心实现光子的产生与传输,其高速、低耗、抗干扰的特性成为连接量子功能与外部系统的桥梁;

量子组件则依托光子组件产生具有量子态特性的"相关光子对",这些特殊的光粒子成为实现量子计算、量子传感等功能的核心"信息载体"。

研究团队首次利用商业芯片制造技术构建出如此复杂的系统。每个芯片集成12个独立量子光源,单个光源面积不足1平方毫米。这些微型"量子光工厂"通过激光驱动微环谐振器产生光子对。

针对谐振器对温度变化敏感的技术难题,团队创新性地将实时控制系统直接嵌入芯片。西北大学博士生Anirudh Ramesh表示:"将控制功能集 成到芯片内部实现量子过程稳定,是迈向可扩展量子系统的关键突破。"

波士顿大学博士生Imbert Wang指出:"最大挑战在于使光子设计同时满足量子光学要求和商业CMOS平台限制。"该芯片基于波士顿大学、加州大学伯克利分校与产业伙伴共同开发的45纳米CMOS平台,该平台原以支持AI和超算互连著称,现通过西北大学的合作拓展至量子光子学领域。

加州大学伯克利分校博士生Daniel Kramnik强调:"我们证明了复杂量子光子系统完全可以在CMOS芯片内构建和稳定,这需要跨领域深度协作。"

这项研究具有里程碑意义:一方面验证了量子功能可通过成熟半导体工艺实现量产,解决了量子器件定制化 生产的瓶颈;另一方面通过电子-光子协同调控攻克了量子系统稳定性难题,为构建实用化量子网络奠定基础。

随着集成度提升和工艺优化,此类芯片有望成为连接量子科技与人工智能、超级计算等领域的通用平台,加速量子信息时代的到来。研究获得美国国家科学基金会等机构支持,部分团队成员已进入PsiQuantum等企业继续推进相关技术产业化。

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