據(jù)最新一期《自然·電子學》雜志報道，美國波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學團隊聯(lián)合，開發(fā)出全球首個電子—光子—量子一體化芯片系統(tǒng)。這是首次在一塊芯片上集成了量子光源與穩(wěn)定控制電子電路，并采用標準的45納米半導體制造工藝。其為批量化生產(chǎn)“量子光工廠”芯片、構建大規(guī)模量子系統(tǒng)奠定了基礎。

實驗過程中，裝有芯片的封裝電路板被置于探針臺顯微鏡下進行測試。圖片來源：美國波士頓大學

團隊表示，在可擴展量子技術的發(fā)展歷程中，這是關鍵一步，它表明人們可以在商用半導體工廠中構建可重復、可控的量子系統(tǒng)。

就像傳統(tǒng)電子芯片依賴電流、光通信系統(tǒng)依賴激光，未來的光量子技術也需要穩(wěn)定的“量子光”資源來實現(xiàn)運算、通信或感知。為此，研究人員在硅芯片上構建了一組“量子光工廠”，每個僅約1毫米見方，卻能穩(wěn)定產(chǎn)生成對相關光子，這是量子信息應用的關鍵資源。

要使這些諧振器穩(wěn)定地產(chǎn)生光子對，必須確保它們與注入的激光保持高度同步。而且器件對溫度變化和制造誤差極為敏感，稍有偏差就可能導致整個系統(tǒng)失效。

團隊的解決方案是在芯片內(nèi)部集成主動控制系統(tǒng)，對產(chǎn)生光子的微環(huán)諧振器進行實時穩(wěn)定調(diào)控。每塊芯片包含12個這樣的光子源，每個都需在溫度波動和相互干擾下保持高精度同步運行。研究人員在諧振器內(nèi)部嵌入了光電探測器，能實時監(jiān)測其與激光的匹配狀態(tài)，并通過片上加熱器和控制邏輯電路，自動微調(diào)共振條件，以確保光子對穩(wěn)定產(chǎn)生。

此次一個關鍵挑戰(zhàn)是，在保持量子光學性能的同時，把光子器件設計限制在商業(yè)互補金屬氧化物半導體(CMOS)平臺的嚴格規(guī)范之內(nèi)。這要求團隊從一開始就將電子與量子光學作為統(tǒng)一系統(tǒng)進行協(xié)同設計。而該芯片采用了標準的45納米CMOS平臺，具備內(nèi)建反饋穩(wěn)定機制，能有效應對溫度變化與制造誤差帶來的干擾。

隨著量子光子系統(tǒng)規(guī)模與復雜度不斷提升，此類“量子光工廠”芯片有望成為安全通信網(wǎng)絡、先進傳感設備乃至未來量子計算基礎設施的關鍵構建單元。