首个片上电子-光子-量子系统问世：利用标准CMOS工艺实现可扩展的量子光源
在可扩展量子技术的一个里程碑中，来自波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的科学家们报告了全球首个片上电子-光子-量子系统，该研究发表于《自然-电子学》杂志。该系统利用标准的 45 纳米半导体制造工艺，将量子光源与稳定电子电路结合在一起，从而产生可靠的相关光子对流（streams of correlated photon pairs）——这是新兴量子技术的关键资源。这一进步为可量产的“量子光工厂”芯片以及由多个此类芯片协同工作的大规模量子系统铺平了道路。
“量子计算、通信和传感正处于从概念走向现实的数十年征程中，”波士顿大学电气与计算机工程系副教授、该研究的高级作者米洛什·波波维奇（Miloš Popović）表示。“这是这条道路上的一小步，但却是至关重要的一步，因为它证明了我们可以在商用半导体代工厂中构建可重复、可控的量子系统。”
“这项工作所需要的跨学科协作，正是将量子系统从实验室推向可扩展平台所必需的，”西北大学电气与计算机工程系教授、量子光学先锋普雷姆·库马尔（Prem Kumar）说道。“如果没有电子学、光子学和量子测量领域的共同努力，我们无法完成这项工作。”
正如电子芯片由电流驱动，光学通信链路依靠激光工作一样，未来的量子技术需要稳定的量子光资源单元流来执行其功能。为了提供这种资源，研究人员在硅芯片上创建了一个“量子光工厂”阵列，每个单元的尺寸都小于 1 毫米 × 1 毫米。
在芯片上生成量子光态需要精密设计的光子器件——具体而言是微环谐振器（microring resonators）。为了以相关光子对的形式产生量子光流，谐振器必须与输入的激光保持同步，该激光不仅为芯片上的每个量子光工厂提供动力，还作为生成过程的“燃料”。然而，这些器件对温度和制造偏差极度敏感，这可能导致它们失步并中断量子光的稳定生成。
“该系统实现了实时监控量子过程，”领导量子测量工作的西北大学博士生阿尼鲁德·拉梅什（Anirudh Ramesh）表示。“这是迈向可扩展量子系统的关键一步。”
作为量子光源构建模块的微环谐振器，其极端敏感性是众所周知的，这既是福音也是诅咒。正因如此，它们才能在极小的芯片面积内高效生成量子光流。然而，微小的温度波动就会破坏光子对生成过程。波士顿大学领导的团队通过在谐振器内部集成光电二极管解决了这一问题，该设计可以在保持量子光生成的条件下监控与输入激光的对准状态。片上加热器和控制逻辑会根据漂移情况持续调整谐振状态。
“与我们之前的工作相比，一个核心挑战是推动光子学设计以满足量子光学的苛刻要求，同时还要保持在商用 CMOS 平台的严格限制之内，”领导光子器件设计的波士顿大学博士生Imbert Wang表示。“这实现了电子学和量子光学的协同设计，使其成为一个统一系统。”
由于该芯片利用内置反馈来稳定每个光源，因此尽管存在温度变化和制造差异，其表现依然可预测——这是扩展量子系统的基本要求。该芯片是在商用 45 纳米互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片平台上制造的，该平台最初是由波士顿大学、加州大学伯克利分校、格芯（GlobalFoundries）以及硅谷初创公司 Ayar Labs 紧密合作开发的，而 Ayar Labs 正是源于这两所大学的研究。通过与西北大学的新合作，同样的制造工艺现在不仅能实现用于人工智能和超级计算的先进光学互连，而且如研究所展示的那样，还能在可扩展的硅平台上实现复杂的量子光子系统。
“我们的目标是证明复杂的量子光子系统可以完全在 CMOS 芯片内构建并保持稳定，”领导芯片设计、封装与集成的加州大学伯克利分校博士生丹尼尔·克拉姆尼克（Daniel Kramnik）说道。“这需要原本通常互不往来的多个领域之间进行紧密协调。”
随着量子光子系统在规模和复杂性上的提升，此类芯片可能成为各种技术的构建模块，涵盖从安全通信网络到先进传感，并最终延伸至量子计算基础设施。
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