Първият произведен в комерсиално предприятие за микроелектроника електронно-фотонен чип вече е факт

19.08.2025   |   Начало»Технологии

Редактор
Мира Станкова

Редактор
Мира Станкова

Екип от учени от Северозападния университет, Бостънския университет и Калифорнийския университет Бъркли в САЩ обяви вграждането за първи път на миниатюрна фотонна квантова система в традиционен електронен чип. Първият по рода си силициев чип комбинира както компоненти, генериращи квантова светлина (фотоника), така и класически електронни схеми за управление, и всичко това е събрано в модул с размери от едва 1 х 1 mm. С други думи чипът не само генерира квантова светлина, но има и собствена вградена електронна система, която да поддържа тази светлина напълно стабилна. Тази фотонно-електронна интеграция позволява на чипа надеждно да излъчва поток от фотонни двойки, необходими за базирана на светлина квантова комуникация, сензорика и обработка.

Важна особеност на чипа е, че е произведен в реално комерсиално производствено съоръжение, демонстрирайки, че е подходящ за масово производство.

"Квантовите експерименти в лабораторията обикновено се нуждаят от голямо, обемно оборудване, което изисква безупречни, чисти условия", коментира Анируд Рамеш от Северозападния университет. "Взехме много от тази електроника и я вместихме в един чип. Така сега имаме чип с вградено електронно управление, стабилизиращо квантовия процес в реално време. Това е ключова стъпка към мащабируеми квантови фотонни системи."

"За първи път постигаме монолитна, електронна, фотонна и квантова интеграция", посочва Прем Кумар от Северозападния университет, един от старшите автори на проучването. "Това е нещо голямо, защото не е лесно да се смеси електроника с фотоника. Усилието да комбинираме опит от интердисциплинарен екип от физици, електроинженери, специалисти от сферата на компютърните науки, материалите и производството беше голямо. Нашият чип може да отвори вратата не само за изчислителни, но и за сензорни и комуникационни приложения."

Чип, който генерира собствена квантова светлина и се самостабилизира

Със способността си да бъдат произвеждани в същите производствени мащаби, както милиарди транзистори за ежедневно използваната електроника, силициевите чипове са идеална платформа за базираните на светлина квантови системи. Стабилната работа на тези миниатюрни квантови оптични устройства обаче изисква способности, които в момента не са стандарт в реалното производство. Малки температурни промени, недоловими производствени несъвършенства и дори топлината, генерирана от собствените им компоненти, могат напълно да съсипят цялата квантова система. За да контролират тези малки вариации, изследователите разчитат на голямо, външно оборудване, за да стабилизират квантовите оптични устройства, което прави привидно невъзможно миниатюризирането на цялостни системи.

Генерирането на квантова светлина в силиций, който екипът използва в своите устройства, за първи път е демонстрирано преди десетилетия от лабораторията, ръководена от Кумар в Северозападния университет. В проучване от 2006 г. Кумар и сътрудниците му демонстрират за първи път, че насочването на концентриран лъч светлина през малки, подходящо проектирани канали, гравирани в силиций, естествено генерира фотонни двойки. Тези фотонни двойки са неразривно свързани, така че могат да служат като кубити (квантови битове).

В новото проучване екипът интегрира тези миниатюрни, пръстеновидни канали – всеки, от които е по-тесен от човешки косъм, в силициев чип. Когато силен лазер светва в тези кръгли канали, наречени микропръстенови резонатори, той генерира фотонни двойки. За да управлява светлината, екипът добавя фототокови сензори, които действат като малки монитори. Ако източникът на светлина се отклони поради температурни колебания или други смущения, сензорите изпращат сигнал към малък нагревател, който връща източника на фотони обратно в оптималното му състояние.

Тъй като чипът използва вградена обратна връзка, за да се самостабилизира, той се държи предвидимо въпреки температурните промени и вариациите при производството – съществено изискване за мащабиране на квантовите системи. Освен това, той елиминира необходимостта от голямо външно оборудване.

"Целта ни беше да покажем, че сложни квантови фотонни системи могат да се изграждат и стабилизират изцяло в рамките на CMOS чип", посочва Даниелиус Крамник от Калифорнийския университет Бъркли. "Това изисква тясна координация между домейни, които обикновено не си говорят."

Бъдеще, произведено в индустриални условия

За да гарантират, че сложният им квантов чип може да бъде произвеждан със стандартния CMOS процес, учените възприемат умна стратегия на проектиране. Те вграждат фотонните компоненти директно в съществуващите структури, които CMOS производствените съоръжения вече използват, за да произвеждат компютърни чипове.

"Накарахме фотониката да работи в рамките на строгите ограничения на търговска CMOS платформа", казва Имберт Уанг от Бостенския университет. "Това направи възможно съвместното проектиране на електрониката и квантовата оптика като единна система."

С нарастването на мащаба и сложността на квантовите фотонни системи тези интегрирани квантови чипове биха могли да се превърнат в градивни елементи за технологии, вариращи от сигурни комуникационни мрежи до усъвършенствано наблюдение и дори инфраструктура за квантови изчисления, смятат учените.

"Десетилетия ще са необходими квантовите изчисления, комуникация и сензорика да изминат пътя от концепция до реалност", коментира Милош Попович от Бостънския университет, старши автор на проучването. "Това е малка стъпка по този път, но важна, защото показва как можем да създадем повторяеми, управляеми квантови системи в търговски съоръжения за производство на полупроводникови компоненти."

Ключови думи: квантови изчисления   фотоника  

Област: Електроника