據最新一期《自然·電子學》雜誌報道，美國波士頓大學、加州大學伯克利分校和西北大學團隊聯合，開發出全球首個(ge) 電子—光子—量子一體(ti) 化芯片係統。這是首次在一塊芯片上集成了量子光源與(yu) 穩定控製電子電路，並采用標準的45納米半導體(ti) 製造工藝。其為(wei) 批量化生產(chan) “量子光工廠”芯片、構建大規模量子係統奠定了基礎。

實驗過程中，裝有芯片的封裝電路板被置於(yu) 探針台顯微鏡下進行測試。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展曆程中，這是關(guan) 鍵一步，它表明人們(men) 可以在商用半導體(ti) 工廠中構建可重複、可控的量子係統。

就像傳(chuan) 統電子芯片依賴電流、光通信係統依賴激光，未來的光量子技術也需要穩定的“量子光”資源來實現運算、通信或感知。為(wei) 此，研究人員在矽芯片上構建了一組“量子光工廠”，每個(ge) 僅(jin) 約1毫米見方，卻能穩定產(chan) 生成對相關(guan) 光子，這是量子信息應用的關(guan) 鍵資源。

要使這些諧振器穩定地產(chan) 生光子對，必須確保它們(men) 與(yu) 注入的激光保持高度同步。而且器件對溫度變化和製造誤差極為(wei) 敏感，稍有偏差就可能導致整個(ge) 係統失效。

團隊的解決(jue) 方案是在芯片內(nei) 部集成主動控製係統，對產(chan) 生光子的微環諧振器進行實時穩定調控。每塊芯片包含12個(ge) 這樣的光子源，每個(ge) 都需在溫度波動和相互幹擾下保持高精度同步運行。研究人員在諧振器內(nei) 部嵌入了光電探測器，能實時監測其與(yu) 激光的匹配狀態，並通過片上加熱器和控製邏輯電路，自動微調共振條件，以確保光子對穩定產(chan) 生。

此次一個(ge) 關(guan) 鍵挑戰是，在保持量子光學性能的同時，把光子器件設計限製在商業(ye) 互補金屬氧化物半導體(ti) (CMOS)平台的嚴(yan) 格規範之內(nei) 。這要求團隊從(cong) 一開始就將電子與(yu) 量子光學作為(wei) 統一係統進行協同設計。而該芯片采用了標準的45納米CMOS平台，具備內(nei) 建反饋穩定機製，能有效應對溫度變化與(yu) 製造誤差帶來的幹擾。

隨著量子光子係統規模與(yu) 複雜度不斷提升，此類“量子光工廠”芯片有望成為(wei) 安全通信網絡、先進傳(chuan) 感設備乃至未來量子計算基礎設施的關(guan) 鍵構建單元。