Учёные создали «квантовую световую фабрику» на чипе размером 1 мм²

Оригинал статьи

Учёные создали «квантовую световую фабрику» на кремниевом чипе размером 1 мм²

Исследователи из Бостонского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Северо-Западного университета разработали устройство, словно сошедшее со страниц научной фантастики — «квантовую световую фабрику», уместившуюся на кремниевом чипе площадью всего 1 мм².

Созданный с использованием стандартного 45-нм CMOS-процесса — того же, что применяется при производстве процессоров x86 и ARM, — этот прорыв делает квантовое оборудование ближе к массовому производству. Исследование, опубликованное в Nature Electronics, может стать шагом к масштабируемым квантовым вычислениям, не требующим сложных лабораторных установок, а использующим технологии серийного кремниевого производства.

На чипе размещено 12 миниатюрных кремниевых колец — микрорезонаторов, каждое из которых генерирует пары фотонов с квантовыми свойствами. Обычно для их получения нужны неустойчивые лабораторные системы, но теперь они производятся прямо на крошечном чипе.

Главное достижение — не просто генерация квантового света, а его стабильность. Микрорезонаторы крайне чувствительны: малейшие изменения температуры могут нарушить их синхронизацию. Поэтому учёные внедрили систему самонастройки прямо в чип — каждый резонатор оснащён миниатюрным фотодиодом, нагревателем и управляющей схемой, которые автоматически корректируют работу в реальном времени.

Благодаря этому все 12 резонаторов работают синхронно, без громоздкого стабилизирующего оборудования, открывая путь к компактным и надёжным квантовым устройствам массового производства.

Учёные доказали: квантовые чипы можно производить так же, как обычные процессоры

«Это небольшой, но важный шаг, — отметил Милош Попович, доцент Бостонского университета и один из старших авторов исследования. — Он показывает, что мы можем создавать воспроизводимые и управляемые квантовые системы на коммерческих полупроводниковых фабриках».

Именно в этом заключается главный смысл прорыва — это не просто лабораторный эксперимент, а доказательство, что квантовые микросхемы можно производить с использованием тех же промышленных технологий, что применяются для создания CPU и GPU.
Да, квантовые вычисления пока далеки от зрелости классических процессоров, но этот шаг приближает нас к их будущей совместимости.

CMOS — переломный момент для квантовой индустрии

Ключевым решением стала ставка на технологию CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) — основу современной электроники, используемую такими гигантами, как TSMC, при массовом производстве смартфонов, серверов и суперкомпьютеров.

Хотя узел 45 нм нельзя назвать передовым, он надёжен, экономичен и совместим с глобальной инфраструктурой кремниевого производства.
Чип был изготовлен на платформе, разработанной совместно с GlobalFoundries и Ayar Labs — компанией, лидирующей в области оптических межсоединений для ИИ и высокопроизводительных вычислений.

Оптические резонаторы: мост между ИИ и квантовыми системами

Связь с миром искусственного интеллекта здесь не случайна.
Генеральный директор Nvidia Дженсен Хуанг недавно заявил, что микрокольцевые резонаторы, подобные тем, что используются в этом чипе, являются ключевыми компонентами масштабируемого AI-оборудования, основанного на оптических соединениях.

Новое исследование показывает, что та же фотонная технология может стать фундаментом масштабируемых квантовых систем.
Можно легко представить будущее, где квантовые и AI-чипы будут делить общую кремниевую платформу.
Тем более что Nvidia уже активно инвестирует в фотонные технологии, и развитие этой области, вероятно, резко ускорится.

«Квантовая световая фабрика» — не просто красивое выражение

Как классические процессоры зависят от потока электронов, а оптические сети — от лазерного света, так будущие квантовые технологии будут нуждаться в устойчивом потоке квантового света.

Создав чип, который генерирует, стабилизирует и воспроизводит источники квантового света на кремнии, исследователи показали, что квантовое оборудование может выйти за пределы единичных экспериментов и стать масштабируемым, как традиционные вычислительные системы.

От лабораторий к индустрии: квантовые инженеры уходят в бизнес

Некоторые участники исследовательской группы уже перешли из академии в ведущие технологические компании — такие как PsiQuantum, Ayar Labs и Google X, — все из которых делают ставку на фотонные и квантовые технологии.
Это ещё одно доказательство того, что квантовая фотоника стремительно выходит за пределы университетских лабораторий и приближается к реальным продуктам, пусть пока и в экспериментальной форме.

Междисциплинарный успех: от оптики до электроники

Проект поддержан Национальным научным фондом США (NSF) в рамках программы Future of Semiconductors (FuSe), а также фондами Packard Fellowship и Catalyst Foundation.
Он демонстрирует, насколько далеко может продвинуться наука, когда объединяются фотоника, электроника и квантовая оптика.
Эти области раньше считались почти несовместимыми, но теперь один крошечный чип доказал, что их можно объединить на коммерческой платформе.

От Intel 4004 до квантовой фабрики

Если микропроцессор Intel 4004 стал началом эры массовых вычислений, то эта квантовая световая фабрика площадью 1 мм² может войти в историю как первый шаг к массовому производству квантового оборудования.

То, что когда-то занимало целый лабораторный стол, теперь помещается на кремниевой пластине — и это рывок, достойный внимания.

Кто знает, возможно, уже через десятилетие мы увидим, как TSMC и другие гиганты соревнуются за лидерство в квантовых вычислениях — особенно теперь, когда появились первые зачатки квантовой операционной системы.