为了向实用量子系统迈进，波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的研究人员制造出了世界上第一个集成电子-光子-量子芯片。

该研究展示了一种使用标准 45 纳米半导体工艺在单一平台上将量子光源与稳定电子设备融合的设备。

该芯片可以产生相关光子对流，这些光粒子对于未来的量子计算、传感和安全通信至关重要。

这是首次利用商业芯片制造技术构建如此复杂的系统。

波士顿大学副教授米洛什·波波维奇表示：“量子计算、通信和传感从概念到现实还有几十年的时间。”

“这是这条道路上的一小步，但却是重要的一步，因为它表明我们可以在商业半导体代工厂中构建可重复、可控制的量子系统。”

每个芯片包含十二个独立的量子光源，每个光源的面积不到一平方毫米。这些“量子光工厂”由激光驱动，并依靠微环谐振器产生光子对。

谐振器对温度变化和制造差异极其敏感，这常常导致它们不同步并扰乱光流。

为了解决这个问题，该团队将实时控制系统直接嵌入到芯片上。

“最让我兴奋的是，我们将控制直接嵌入到芯片上，实时稳定量子过程，”领导此次量子测量的西北大学博士生阿尼鲁德·拉梅什 (Anirudh Ramesh) 说道。“这是迈向可扩展量子系统的关键一步。”

每个谐振器内部都集成了光电二极管，用于检测入射激光的错位，而片上加热器和控制逻辑则持续校正任何漂移。即使在条件波动的情况下，这种反馈回路也能确保精密的量子光生成过程平稳运行。

标准芯片技术，非凡功能

为了使系统在严格的商业平台内运行，该团队必须重新思考量子和经典电子技术如何在芯片上共存。

领导光子器件设计的波士顿大学博士生 Imbert Wang 表示：“与我们之前的工作相比，一个关键的挑战是推动光子设计满足量子光学的苛刻要求，同时仍遵守商业 CMOS 平台的严格限制。”

该芯片采用最初由波士顿大学、加州大学伯克利分校、GlobalFoundries 和 Ayar Labs 共同开发的 45 纳米 CMOS 平台构建。

该平台以支持人工智能和超级计算互连而闻名，由于与西北大学的新合作，现在可以实现复杂的量子光子学。

“我们的目标是证明复杂的量子光子系统可以完全在CMOS芯片内构建和稳定，”加州大学伯克利分校负责芯片设计和封装的博士生丹尼尔·克拉姆尼克（Daniel Kramnik）表示。“这需要跨领域紧密协作，而这些领域通常彼此之间并不直接沟通。”

该项目的几名学生研究员已经转向工业界，继续在 PsiQuantum 和 Ayar Labs 以及Google X等初创公司从事硅光子学和量子计算工作。

这项工作得到了美国国家科学基金会、帕卡德奖学金和 GlobalFoundries 的支持。