اولین تراشه کارخانه نور کوانتومی جهان بر اساس فناوری نیمه‌هادی استاندارد ساخته شد
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در جهشی به سوی سیستم‌های کوانتومی کاربردی، محققان دانشگاه بوستون، دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و دانشگاه نورث وسترن اولین تراشه یکپارچه الکترونیکی-فوتونیکی-کوانتومی جهان را ساخته‌اند.
این مطالعه دستگاهی را نشان می‌دهد که منابع نور کوانتومی را با الکترونیک پایدارکننده در یک پلتفرم واحد با استفاده از یک فرآیند نیمه‌هادی استاندارد ۴۵ نانومتری ادغام می‌کند.
این تراشه می‌تواند جریان‌هایی از جفت‌های فوتون همبسته، ذرات نوری که برای محاسبات کوانتومی آینده، حسگری و ارتباطات امن بسیار مهم هستند، تولید کند.
این اولین باری است که چنین سیستم پیچیده‌ای با استفاده از تکنیک‌های تولید تراشه تجاری ساخته می‌شود.
میلوش پوپوویچ، دانشیار دانشگاه بوستون، گفت: «محاسبات، ارتباطات و حسگر‌های کوانتومی در مسیری چند دهه‌ای از مفهوم تا واقعیت قرار دارند.»
«این گامی کوچک در این مسیر است -، اما گامی مهم، زیرا نشان می‌دهد که می‌توانیم سیستم‌های کوانتومی تکرارپذیر و قابل کنترل را در کارخانه‌های نیمه‌هادی تجاری بسازیم.»
هر تراشه میزبان دوازده منبع نور کوانتومی مستقل است که هر کدام کمتر از یک میلی‌متر مربع را اشغال می‌کنند. این «کارخانه‌های نور کوانتومی» با نور لیزر تغذیه می‌شوند و برای تولید جفت فوتون به تشدیدگر‌های ریزحلقه متکی هستند.
تشدیدگر‌ها به تغییرات دما و تغییرات تولید بسیار حساس هستند، که اغلب آنها را از همگام‌سازی خارج کرده و جریان نور را مختل می‌کند.
برای مقابله با این مشکل، تیم تحقیقاتی یک سیستم کنترل بلادرنگ را مستقیماً روی تراشه تعبیه کرد.
آنیرود رامش، دانشجوی دکترا در دانشگاه نورث وسترن که رهبری اندازه‌گیری‌های کوانتومی را بر عهده داشت، گفت: «چیزی که بیش از همه مرا هیجان‌زده می‌کند این است که ما کنترل را مستقیماً روی تراشه تعبیه کردیم - و یک فرآیند کوانتومی را در زمان واقعی تثبیت کردیم. این یک گام مهم به سوی سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر است.»
دیود‌های نوری درون هر تشدیدگر ادغام شدند تا عدم هم‌ترازی با نور لیزر ورودی را تشخیص دهند، در حالی که گرم‌کن‌های روی تراشه و منطق کنترل به طور مداوم هرگونه انحراف را اصلاح می‌کردند. این حلقه بازخورد، فرآیند ظریف تولید نور کوانتومی را حتی در صورت نوسان شرایط، به طور روان اجرا می‌کند.
فناوری تراشه استاندارد، عملکرد فوق‌العاده
برای اینکه سیستم در یک پلتفرم تجاری دقیق کار کند، تیم مجبور شد در مورد چگونگی همزیستی الکترونیک کوانتومی و کلاسیک روی تراشه تجدید نظر کند.
ایمبرت وانگ، دانشجوی دکترا در دانشگاه بوستون که رهبری طراحی دستگاه فوتونیک را بر عهده داشت، گفت: «یک چالش کلیدی نسبت به کار قبلی ما، سوق دادن طراحی فوتونیک به سمت برآورده کردن الزامات دشوار اپتیک کوانتومی در عین حفظ محدودیت‌های سختگیرانه یک پلتفرم CMOS تجاری بود.»
این تراشه با استفاده از یک پلتفرم CMOS ۴۵ نانومتری ساخته شده است که در ابتدا توسط BU، UC Berkeley، GlobalFoundries و Ayar Labs به طور مشترک توسعه داده شده بود.
همان پلتفرمی که به خاطر تقویت هوش مصنوعی و اتصالات ابررایانه‌ای شناخته می‌شود، اکنون به لطف همکاری جدید با دانشگاه نورث وسترن، فوتونیک کوانتومی پیچیده را امکان‌پذیر می‌کند.
دنیل کرامنیک، دانشجوی دکترا در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی که بر طراحی و بسته‌بندی تراشه نظارت داشت، گفت: «هدف ما نشان دادن این بود که سیستم‌های فوتونیک کوانتومی پیچیده را می‌توان به‌طور کامل درون یک تراشه CMOS ساخت و پایدار کرد. این امر مستلزم هماهنگی دقیق در حوزه‌هایی بود که معمولاً با یکدیگر ارتباط برقرار نمی‌کنند.»
چندین محقق دانشجو از این پروژه قبلاً به سمت‌های صنعتی منتقل شده‌اند و به کار خود در زمینه فوتونیک سیلیکونی و محاسبات کوانتومی در استارت‌آپ‌هایی مانند PsiQuantum و Ayar Labs و همچنین Google X ادامه داده‌اند.
این کار توسط بنیاد ملی علوم، بورسیه پکارد و گلوبال فاندریز پشتیبانی شد.
این مطالعه در مجله Nature Electronics منتشر شده است.