Quantum Leap: Verdens første hybride kvante-fotoniske chip

Med investeringerne i rivende vækst og gennembruddene i hastig stigning er kvanteteknologi tættere på end nogensinde på at blive en realitet. 

Ifølge McKinsey er de tre hovedpiller i kvanteteknologi, som er kvanteberegning, kvantekommunikation, og kvantesensorik, sammen kunne generere så meget $97 milliarder i omsætning på verdensplan inden for det næste årti. 

Teknologien beskæftiger sig med kvantemekanikens principper for at skabe innovative teknologier, der overgår klassiske teknologiers kapaciteter.

En af de lovende måder at udvikle kvanteteknologier på er gennem fotonik. Dette skyldes dens naturlige kompatibilitet med optiske forbindelser til entanglement‑distribution, dens robusthed over for decoherens ved stuetemperatur, og dens evne til at blive nedskaleret til chipformat.

Fotonik er videnskaben om lys (fotoner) og beskæftiger sig med generering, detektion og manipulation af lys til forskellige anvendelser.

For kvante‑fotoniske systemer tilbyder silicium‑fotonik den mest skalerbare platform. De kan bygges ved hjælp af de halvlederfremstillingsteknikker, der er udviklet i den komplementære metal‑oxid‑semiconductor (CMOS) mikroelektronikindustri, som allerede producerer chips i stor skala.

Selvom silicium‑fotonik snart kan bruges til at skabe enorme mængder fysiske qubits, som er nødvendige for at opnå brugbar kvanteinformationsbehandling i miniaturiserede optiske enheder til generering og manipulation af kvante‑lystilstande, udgør den faktiske konstruktion af disse silicium‑kvante‑fotoniske integrerede kredsløb alvorlige udfordringer.

Problemerne relaterer sig til termisk krydstale, frie bærere og selvopvarmnings‑nonlineariteter, samt behovet for at håndtere ekstrem følsomhed over for enhver variation i temperatur og fremstillingsproces. 

Problemet er, at for at silicium‑kvante‑fotoniske enheder skal fungere korrekt, kræver de kontinuerlig overvågning samt styring af elektroniske kredsløb. Så er store eksterne elektronikkomponenter blevet brugt, hvilket delvist løser problemerne, men det medfører også, at mange fordele ved en chip‑skala platform opgives. 

For at realisere det fulde potentiale af silicium‑fotonik som platform for kvanteinformationsbehandling skal vi løse den klassiske kontrolflaskehals.

Et tværfagligt forskerteam har derfor introduceret et elektronisk‑fotonisk kvante‑system‑på‑chip. Det er fremstillet i en kommerciel 45‑nm CMOS mikroelektronik‑fundry.

Dette er verdens første hybride chip, der kombinerer elektronik, fotonik og kvantekraft. 

Brugen af CMOS gør forskningen endnu mere rosværdig. Denne halvlederteknologi er grundstenen i moderne elektronik. Virksomheder som Samsung, Sony, Intel (INTC ) og TSMC bruger den til masseproduktion af elektronik.

45 nm‑noden er derimod afprøvet og omkostningseffektiv. Den er også kompatibel med den brede infrastruktur for siliciumfremstilling.

Deres fuldt integrerede, modulære kontroltilgang, ifølge teamet, “baner vejen for silicium‑kvante‑fotonik til at opnå den massive skala, der kræves for fremtidige generationer af kvanteinformationssystemer.”

Tværfagligt samarbejde bringer kvanteteknologi tættere på virkeligheden

Den seneste undersøgelse, som markerer et stort gennembrud inden for kvanteteknologi, blev udført af forskere fra UC Berkeley, Boston University og Northwestern University.

“Den form for tværfagligt samarbejde, som dette arbejde krævede, er præcis det, der er nødvendigt for at flytte kvantesystemer fra laboratoriet til skalerbare platforme. Vi kunne ikke have gjort dette uden de samlede indsatser inden for elektronik, fotonik og kvantemåling.”

– Prem Kumar, professor i elektroteknik og datateknik ved Northwestern

Forskningen blev støttet af National Science Foundation. Publiceret i Nature Electronics beskriver undersøgelsen systemet, der med succes har integreret kvante‑lyskilder og stabiliserende elektronik på en enkelt siliciumchip, fremstillet ved hjælp af den standardiserede 45‑nm halvlederproces.

Denne kombination er det, der gør det muligt for chippen at generere strømme af korrelerede fotonpar kontinuerligt, hvilket udgør grundlaget for forskellige kvanteapplikationer.

Hver siliciumchip har et array af “kvante‑lysfabrikker”, i alt tolv uafhængige kvante‑lyskilder, som drives af laserlys. De er også afhængige af mikroring‑resonatorer til at generere fotonpar. Hver af disse kilder har en størrelse på mindre end en millimeter i hver retning.

Dette markerer et stort skridt mod udviklingen af mere komplekse kvantesystemer bestående af flere forbundne chips og masseproduktionen af “kvante‑lysfabrik” chips. Ifølge seniorforskningsforfatter Miloš Popović, som er lektor i elektroteknik og datateknik ved BU:

“Kvanteregning, kommunikation og sensorik er på en årtier lang vej fra koncept til virkelighed. Dette er et lille skridt på den vej – men et vigtigt skridt, fordi det viser, at vi kan bygge gentagelige, kontrollerbare kvantesystemer i kommercielle halvlederfundry.”

I øjeblikket, i de tidlige udviklingsstadier, adskiller kvanteteknologi sig fra eksisterende computere, som bruger klassiske bits, der enten er nul eller en, ved at benytte kvantebits (qubits). 

Disse qubits kan eksistere i en superposition af begge tilstande på samme tid, hvilket gør det muligt for kvantecomputere at udføre beregninger parallelt, hvilket igen fører til massive hastighedsforøgelser. Her er superposition eksistensen af et kvantesystem i flere tilstande på én gang. 

Knækker skaleringskoden med realtids‑selvjustering

Der findes nu forskellige måder, hvorpå kvanteteknologi kan anvendes, og fotonik er en af dem, hvor en kontrolleret lysstrøm, enkelte fotoner eller sammenfiltrede fotonpar er nødvendige for at udføre deres funktion. 

Disse stabile strømme af kvante‑lys genereres ved hjælp af enheder som mikroring‑resonatorer og kvante‑dotter.

Mikroring‑resonatorer er præcist konstruerede fotoniske enheder, der muliggør generering af kvantetilstande af lys på en chip. De er essentielle elementer i silicium‑fotonik, da de tilbyder en meget effektiv måde at lede lys på nanometerskala. Dette opnås ved at løkke lyset i en cirkel for at nå en målrettet bølgelængde (resonans).

For at generere strømme af kvante‑lys i form af korrelerede fotonpar, skal mikroring‑resonatorerne justeres i sync med det indkommende laserlys, der driver hver kvante‑lysfabrik på chippen. Det bruges også som brændstof til genereringsprocessen.

Resonatorerne er dog meget følsomme over for variationer i temperatur og fremstilling. Dette kan få dem til at falde ud af sync og forstyrre den stabile generering af kvante‑lys.

For at forhindre forstyrrelsen af lysgenereringen, når resonatorerne skubbes ud af sync, byggede teamet et integreret system, der aktivt stabiliserer kvante‑lyskilder på chippen, især resonatorerne, der genererer strømme af korrelerede fotoner. Disse lyskilder er til stede i hver chip og opererer parallelt. 

“Det, der begejstrer mig mest, er at vi indlejrede kontrollen direkte på chippen – stabilisering af en kvanteproces i realtid. Det er et kritisk skridt mod skalerbare kvantesystemer.”

– Anirudh Ramesh, PhD‑studerende ved Northwestern, som ledede de kvante‑målinger

Interessant nok er den ekstreme følsomhed af mikroring‑resonatorerne faktisk grundlaget for kvante‑lyskilder, den egentlige grund til at kvante‑lydstrømme kan genereres effektivt og på et minimalt chip‑område. Dog kan selv små temperaturændringer påvirke processen med foton‑par‑generering betydeligt. 

For at overvinde dette problem indplantede forskerne et realtids‑kontrolsystem direkte på chippen. De integrerede fotodioder i hver resonator på en specifik måde, så de kan overvåge ydeevnen, specifikt justeringen med det indkommende laserlys, mens de bevarer den kvante‑lysgenerering.

Samtidig justerer miniature‑varmere og kontrol‑logik på chippen løbende resonansen som reaktion på drift. Så selv når betingelserne varierer, opretholder denne indbyggede feedback‑sløjfe kvante‑lysgenereringsprocessen, så enheden opfører sig forudsigeligt.

Den selv‑justering gør det muligt for alle tolv resonatorer at arbejde sammen i perfekt sync, uden behov for store stabiliseringsudstyr. Dette er et vigtigt punkt, da det er et nøglekrav for opskalering af kvantesystemer. Ifølge Imbert Wang, PhD‑studerende ved Boston University, som ledede designet af den fotoniske enhed:

“En central udfordring i forhold til vores tidligere arbejde var at skubbe fotonikdesignet til at opfylde de krævende krav fra kvanteoptik, samtidig med at vi holdt os inden for de strenge begrænsninger i en kommerciel CMOS‑platform. Det muliggør co‑design af elektronik og kvanteoptik som et samlet system.”

Hele systemet blev fremstillet på en kommerciel 45‑nm CMOS‑chipplatform udviklet gennem et samarbejde mellem BU, UC Berkeley, GlobalFoundries og Ayar Labs. Startup‑virksomheden Ayar Labs er involveret i at skabe teknologi til chips, der bruger lys‑pulser, og har sikret $155 millioner i venturefinansiering fra AMD Ventures, Intel Capital og Nvidia (NVDA ) med en værdiansættelse på $1 milliard, hvilket “lægger grundlaget for masseproduktion”.

Fremstillingsprocessen muliggør avancerede optiske forbindelser til AI og supercomputing, og nu komplekse kvante‑fotoniske systemer på en skalerbar siliciumplatform.

“Vores mål var at vise, at komplekse kvante‑fotoniske systemer kan bygges og stabiliseres fuldstændigt inden for en CMOS‑chip. Det krævede tæt koordinering på tværs af domæner, der normalt ikke taler sammen.”

– Daniel Kramnik, PhD‑studerende ved UC Berkeley, som ledede chipdesign, pakning og integration

Afhængigheden af chippen af de teknikker, der allerede er i brug, betyder, at der ikke er behov for at skabe nye opsætninger, hvilket igen baner vejen for skalerbar kvantecomputing.

Investering i kvantesystemer 

Verdensområdet for kvanteteknologi gør hurtige fremskridt og kommer tættere på virkeligheden for hvert år, der går. Her er International Business Machines (IBM ) blandt dem, der leder feltet, især inden for kvanteberegning. For nylig udgav forskere fra IBM® og kvante‑startup’en Pasqal et hvidt papir, hvori de skitserede definitionen af kvantefordel, hvordan påstandene kan valideres videnskabeligt, og hvordan man kan opnå den.

International Business Machines (IBM )

Denne måned arbejdede IBM Quantum endda sammen med Moderna om at modellere mRNA‑struktur ved hjælp af kvantesimulering. Til dette brugte de 80 qubits fra en IBM Quantum Heron‑processor, som kørte en specialiseret algoritme med målet at “forbedre menneskers sundhed.”

“Vi mener, det er afgørende at udforske alle tilgængelige værktøjer, inklusive kvanteberegning, for at skalere vores fremskridt i dag i stedet for at vente på, at teknologien fuldt ud modnes i fremtiden.”

– Modenas associerede videnskabelige direktør for kvante‑algoritmer og -applikationer, Alexey Galda

I sidste måned lavede IBM også en stor meddelelse om, at de bygger verdens første storskala kvantecomputer, som de forventer at levere til kunder i 2029.

Den fejl‑tolerante kvantecomputer kaldet IBM Starling vil være 20.000 gange mere kraftfuld end de eksisterende kvantecomputere og “vil kræve hukommelsen fra mere end en kvindecillion af verdens mest kraftfulde supercomputere”.

Ifølge virksomhedens roadmap vil ankomsten af Starling følge flere milepæle, herunder den første demonstration af ‘kvantefordel’ næste år, hvor kvantecomputere vil begynde at overgå klassiske computere i praktiske beregningsapplikationer.

Men før det vil IBM Quantum Loon debutere senere i år sammen med sin Nighthawk‑chip. Og engang i næste år vil IBM Quantum Kookaburra følge, med virksomhedens første modulære processor til at gemme og behandle kodet information. Derefter vil IBM Quantum Cockatoo blive lanceret året efter, hvis arkitektur “vil forbinde kvantechips som noder i et større system, hvilket undgår behovet for at bygge upraktisk store chips”.

Disse udgivelser vil i sidste ende føre til lanceringen af Starling inden årtiet er omme. Denne innovation håber at udføre “100 millioner kvanteoperationer ved brug af 200 logiske qubits”.

Med Starling sigter IBM mod at løse virkelige udfordringer, noget kvanteteknologien endnu ikke har opnået. Ifølge CEO’en Arvind Krishna vil deres kvantecomputer også “låse op for enorme muligheder for erhvervslivet”.

Ifølge roadmap’en strækker IBMs mål for kvanteberegning sig ud over Starling. Blue Jay vil være den anden generation af fejl‑tolerant kvante‑computing‑ISA, som ikke forventes at ankomme før efter 2033. På det tidspunkt kan beregningsplatformen skaleres op til 1 milliard porte og 2.000 logiske qubits.

Når det gælder markedspræstationen for IBM med en markedsværdi på $262 mia., som er en leverandør af global hybrid cloud, AI og konsulentekspertise, handles deres aktier i øjeblikket over $265, op 28,29% YTD. Virksomheden betaler en udbytteafkast på 2,38%.

Senest rapporterede virksomheden sine Q2‑2025‑resultater, som viste en 8 % stigning i omsætningen til $17 mia., $6,1 milliarder i netto‑kontant fra driftsaktiviteter og fri cash‑flow på $4,8 milliarder.

“Vi overgik igen forventningerne til omsætning, profit og fri cash‑flow i kvartalet. IBM forbliver stærkt differentieret på markedet på grund af vores dybe innovation og domæneekspertise, som begge er afgørende for at hjælpe kunder med at implementere og skalere AI. Vores portefølje af generativ AI fortsætter med at accelerere og ligger nu på over $7,5 milliarder.”

– CEO Krishna

Seneste International Business Machines (IBM) aktienyheder og udviklinger

Konklusion

Kvanteteknologi udvikler sig hurtigt og bevæger sig fra et koncept til en skalerbar industri, drevet af gennembrud som hybride kvante‑elektron‑fotoniske chips. 

Ved at integrere kvante‑lyskilder, stabiliserende elektronik og skalerbar fremstilling i en enkelt chip har undersøgelsen optimalt skabt en blueprint for den kvantefremtid. Og efterhånden som kvante‑fotoniske systemer skrider frem, kan de nyeste hybride chips blive grundlaget for teknologier som avanceret sensorik, sikre kommunikationsnetværk og kvantecomputing.

Med IBM, der bygger massive kvanteprocessorer, er tiderne uden tvivl spændende, og det kommende årti ser ud til at blive afgørende for at markere det tidspunkt, hvor kvantecomputing endelig leverer reel indflydelse i den virkelige verden.

Klik her for en liste over de førende kvantecomputing‑virksomheder i 2025.

Referencer:

1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, J. E.; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. Skalerbar feedback‑stabilisering af kvante‑lyskilder på en CMOS‑chip. Nature Electronics, 8, (2025). Udgivet den online 14. juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, A. D.; Dalyac, C.; Gambetta, J. M.; Henriet, L.; Javadi‑Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. En ramme for kvantefordel. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant‑ph] (2025). Udgivet den online 14. juli 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658