Masseproducerbare fotoniske chips kunne låse op for kvanteskalering

Ingeniører fra University of Colorado i Boulder har netop fundet ud af et vigtigt skridt i adoptionen af ​​kvantecomputere – skalerbarhed. Den ekstreme præcision, der kræves for at skabe kvanteenheder, har ikke været reproducerbar i stor skala, hvilket betyder, at deres omkostninger stadig er uden for rækkevidde for de fleste mennesker.

Heldigvis vil denne situation ændre sig i de kommende år, da denne nylige udvikling bruger traditionelle CMOS-fremstillingsmetoder til at skabe stabile kvantechips, der er meget mindre og mere overkommelige end noget, der er tilgængeligt i dag. Her er hvad du behøver at vide.

Kvante vs. klassisk databehandling: Den fotoniske forskel

I modsætning til traditionelle computere bruger kvantecomputere ikke bits og traditionelle chips. I stedet er de afhængige af kvantesuperposition og qubits til at løse beregninger. En af de mest populære måder at bygge kvantecomputere på drejer sig om at bruge optiske fotoniske modulatorer.

Disse enheder gør det muligt for kvantecomputere at udnytte fangede ioner eller neutrale atomer som qubits. Disse chips giver ingeniører mulighed for at styre en justerbar laser mod qubits'ene, som kommunikerer betjeningsinstruktioner til beregninger via frekvensmodulationer.

Skalerbarhedsflaskehalsen: Hvorfor masseproduktion mislykkedes

Der er adskillige problemer med de nuværende fremstillingsmetoder til kvantecomputere. Primært er der ingen problemer med hensyn til masseproduktion. Disse chips er så følsomme og præcise, at de i de fleste tilfælde skal bygges individuelt i laboratoriet. I øjeblikket er samlemetoden afhængig af, at ingeniører samler det meste af enheden i hånden.

Derudover integrerer disse enheder højtydende laserstråler for at give præcisionsjusteringsmuligheder til flere qubits. Som sådan skal de være pålidelige og varmebestandige, især når man tænker på, at fremtidige kvantecomputere kan bruge tusindvis af qubits.

Formfaktorgrænser

Nuværende kvantechips er for store til at blive brugt i de fleste applikationer. De kræver kryogen køling, lange optiske veje og qubit-design med stor afstand. Denne opsætning hjælper ganske vist med at reducere støj, men den gør dem ekstremt store sammenlignet med traditionelle computerchips.

Derudover vil fremtidige generationer af kvantecomputere bruge flere qubits, hvilket betyder, at de mest avancerede kvantecomputere i dag stadig kun er en dråbe i havet sammenlignet med, hvad der vil være offentligt tilgængeligt om et årti eller deromkring. Derfor skal disse enheder reduceres til en rimelig formfaktor, før de opnår storstilet udbredelse.

Varme ødelægger kvantetilstanden

Al den laserenergi, der bruges til at kommunikere med qubits, er et andet problem, da den skaber en masse varme. Varme har altid været et problem for computere, uanset deres opsætning. Kvantecomputere er dog afhængige af at opretholde en skrøbelig kvantetilstand for at udføre beregninger. Derfor kræver de kryogen køling. Derfor kan varme gøre disse enheder ubrugelige.

Gennembrud: CMOS-kompatible fotoniske kredsløb

Studiet "Gigahertz-frekvens akustooptisk fasemodulation af synligt lys i et CMOS-fremstillet fotonisk kredsløb,"udgivet¹ i tidsskriftet Nature Communications introducerer en helt ny tilgang til produktion af optiske kvantechips.

Den nye proces ses af mange som det første skridt mod den fotoniske computerrevolution. Enheden, som er 100 gange tyndere end et hårstrå, integrerer modulære teknologier for at skabe et nyt niveau af effektivitet og stabilitet.

Denne specialbyggede gigahertz-frekvens akustooptiske fasemodulator kombinerer en piezoelektrisk transducer og en fotonisk bølgeleder, hvilket minimerer formfaktoren, samtidig med at bølgelængdeskalastrukturen bevares.

Optisk fasemodulator

Den opgraderede optiske fasemodulator kan styre laserlys ved hjælp af mikrobølgefrekvenser. Mikrobølgerne får lyset til at blive exciteret og vibrere milliarder af gange i sekundet, hvilket muliggør præcis justering samt øget stabilitet og effektivitet. Specifikt integrerer den akustooptiske modulator en fotonisk bølgeleder monteret på en piezoelektrisk transducer.

CMOS-fremstilling muliggør masseproduktion

For at opfylde de strenge størrelseskrav besluttede ingeniørerne at fremstille enheden på en 200 mm wafer, der derefter blev skåret i 120 forskellige chips. Processen brugte en piezo-optomekanisk aluminiumnitrid-SiNx-platform, hvilket gjorde det muligt for ingeniører at bruge fasemodulation til at skabe gigahertz-frekvenssidebånd på en 730 nm laserindgang.

Endnu mere imponerende er, at de brugte standard chipproduktionsteknikker til at skabe enhederne, hvilket betyder, at de kan masseproduceres i fremtiden, hvilket åbner døren for mere adgang til kvantecomputere.

Da ingeniørerne diskuterede deres tilgang, talte de om, hvordan CMOS-fremstilling er toppen af ​​skalerbar teknologi, og hvordan det er afgørende at anvende det som et middel til at skabe kvantechips for yderligere anvendelse.

Specifikt diskuterede ingeniørerne, hvordan denne teknologi har gjort mange af dine foretrukne højteknologiske enheder mulige, herunder smartphones, bærbare computere og andre enheder, som du er afhængig af dagligt. De forklarede, hvordan den har hjulpet med at udbrede denne teknologi, og hvordan den vil gøre det samme for fremtidens kvantedrevne enheder.

Kilde - Nature Communications

Dobbeltfunktion: Optisk og elektromekanisk

Det er værd at bemærke, at den optiske fasemodulator kan fungere i to forskellige tilstande. Den første er den udbredende optiske tilstand, som udbreder og styrer fotoniske bølgeledere på kredsløb. Denne strategi understøtter entanglement-fordeling, routing og kohærens, hvilket gør den afgørende for de fleste operationer.

Den anden tilstand er elektrisk exciterbar mekanisk resonans i åndedrætstilstand, som er afhængig af mikrobølger, der påføres nanostrukturer og skaber piezoelektrisk aktivering. Disse mikrobølger ændrer fotonoscillationshastigheder og optiske felter. Det er værd at bemærke, at denne tilstand understøtter høje optiske effekter, hvilket gør den ideel til avancerede kvanteberegninger.

Ydelsesbenchmarks: Stabilitet og effektivitet

Ingeniørerne udførte adskillige tests på en radiofrekvensspektrumanalysator for at teste chippens output. For at udføre denne opgave monterede holdet chippen på en arm, der havde en laserkilde koblet til et fiberinterferometer.

Den anden ende af enheden var forbundet til en akusto-optisk frekvensskifter (AOFS). Ingeniørerne ledte lys gennem begge ender af enheden og rekombinerede det derefter ved hjælp af en 50/50 retningsbestemt kobler. Dette gør det muligt at rette fotonerne mod spektrumanalysatoren, hvilket øger nøjagtigheden.

Den nye chip opnåede en optisk effekt på 730 NM, hvilket overgår det mål på 500 mW, som ingeniørerne havde sat. Derudover var teamet i stand til at finjustere enhedens geometri for yderligere at forbedre den optomekaniske interaktion. Denne test afslørede modulationsdybder på 4.85 rad ved kun at bruge en 80 mW mikrobølge indstillet til 2.31 GHz.

Imponerende nok registrerede enheden det laveste frekvenstab af alle chips til dato. Specifikt bemærkede ingeniørerne, at den nye chip var 15 gange mere stabil og 100 gange mere effektiv med hensyn til mikrobølgeeffektbehov end de nuværende kvantechips.

Vigtigste fordele ved CMOS-fremstilling

Der er mange fordele ved masseproducerede fotoniske chips. For det første kan de fremstilles i massive antal, hvilket gør det muligt at gå fra at være eksklusiv adgang til en populær computermulighed. Denne fremstillingsmetode er mere overkommelig og vil gøre det muligt for ingeniører at skabe relativt små kvantecomputere, der integrerer tusindvis af qubits.

Stryg for at scrolle →

Denne fremstillingsmetode er for første gang i stand til at skabe identiske versioner af disse højteknologiske, indviklede enheder. Denne evne betyder, at ingeniører vil være i stand til at skabe og distribuere deres fremtidige kvantecomputerdesigns til masserne ved hjælp af allerede eksisterende metoder.

Lille størrelse

En af de største fordele ved dette layout er dets lille størrelse. Med en størrelse på 100 gange mindre end et menneskehår er disse chips i stand til at understøtte kraftfulde kvantecomputerdesigns. Disse enheder vil integrere tusindvis af qubits ligesom IBMs. (IBM )Condor-chip, der håndterer 1,121 qubits, men har en meget større formfaktor på grund af det større laminat.

High Performance

Imponerende nok kan disse chips levere computerkraft på niveau med nutidens mest avancerede maskiner. De kan understøtte over 500 mW optisk effekt, hvilket er den nuværende topklasse inden for avanceret kvanteberegning. Derudover understøtter det nye chipdesign mere optisk effekt og præcision, samtidig med at det forbruger langt mindre strøm.

Mere effektivt

Fasemodulationen, der anvendes i denne tilgang, kræver langt mindre mikrobølgeeffekt sammenlignet med forgængere. Specifikt bemærkede ingeniørerne, at deres enhed kan udføre kvantehandlinger med 80 gange mindre energi. Følgelig producerer den meget mindre varme, hvilket gør det muligt at koble den til flere chips for at skabe mere kraftfulde enheder.

Virkelige applikationer: Sensorer og netværk

Der er flere anvendelser af denne teknologi. Den oplagte anvendelse vil være at understøtte fremtidig kvantecomputerdesign. Disse højtydende chips er små nok til at blive pakket tæt sammen og energieffektive nok til ikke at skabe problemer med overophedning i denne konfiguration.

Kvantesansning

Kvantesensorer giver langt større nøjagtighed sammenlignet med traditionelle sensorer. De udfører denne opgave ved hjælp af superposition, entanglement og squeezing. Disse handlinger gør det muligt for enheden præcist at måle ændringer i magnetfelter, tyngdekraft, tid, temperatur og mere. Disse chips kan bidrage til at gøre disse sensorer mere overkommelige.

Kvantenetværk

En anden vigtig anvendelse er kvantenetværk. Denne teknologi udnytter entanglement til at kommunikere data med høje transmissionshastigheder. Specifikt bruger den kvante-Bell-par og teleportation til at overføre tilstande uden kloning. Målet med denne teknologi er at skabe en infrastruktur til kvanteinternettet en dag.

Vejen til kommercialisering: 7-10-års køreplanen

Det vil tage omkring 7-10 år, før denne teknologi når offentligheden. Afgørende er det, at denne fremstillingsteknik vil være en drivende faktor i at fremme udbredelsen af ​​kvanteteknologier, men først skal den perfektioneres. Men når den er indgået et partnerskab med den rette producent, vil lavprisstrategien understøtte yderligere integration og udbredelse.

Forskningsteam og finansiering

University of Colorado i Boulder var vært for studiet af fotoniske chips med deltagelse af Sandia National Laboratories. Specifikt bidrog Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer og Sebastian Magri til dette arbejde.

Undersøgelsen modtog økonomisk og materiel støtte fra det amerikanske energiministerium gennem Quantum Systems Accelerator-programmet, som er vært for National Quantum Initiative Science Research Center.

Fremtidige forskningsmål

Nu vil teamet sætte sig mål om at skabe integrerede fotoniske kredsløb, der er i stand til at overgå tidligere præstationsmål. Gruppen søger at forbedre sine chipfrekvensgenererings- og filtreringsfunktioner, sammen med sin pulsformningstilgang, for at fremme ydeevnen.

Ingeniørerne vil også finde strategiske partnere, der kan hjælpe med at implementere deres fremstillingsmetode. Dette trin betyder, at de skal kontakte de førende CMOS-fremstillingssteder og sikre en del af deres fabrik til dette nye chipdesign.

Top kvantecomputeraktie at holde øje med

Kvantecomputersektoren fortsætter med at ekspandere, og konkurrencen stiger månedligt. Dagens førende designere af kvantecomputere, chipproducenter og programmører fortsætter med at skubbe denne teknologi til nye højder og åbner døren for innovationer inden for computerkraft. Her er en virksomhed, der forbliver i spidsen for denne revolution.

IonQ (IONQ): En førende aktør inden for systemer med fangede ioner

IonQ (IONQ ) lanceret i 2015 for at drive kvanteteknologi fremad. Virksomheden blev grundlagt af to kvanteberegningseksperter, Christopher Monroe og Dr. Jungsang Kim. Det er værd at bemærke, at Monroe har spillet en central rolle inden for kvantestudier og betragtes som en pioner i branchen.

IonQ har hjulpet med at innovere teknologien, herunder at skabe den første operationelle 5-ytterbium-ionchip, der kører Deutsch-Jozsa-algoritmen. Virksomheden lancerede også den første kommercielle QCaaS med fangede ioner. Disse udviklinger hjalp virksomheden med at sikre 636 millioner dollars.

I øjeblikket tilbyder virksomheden adskillige kvanteprodukter på højt niveau, herunder deres Aria 32-qubit rackmonteringssystem. Derudover har virksomheden sikret sig strategiske partnerskaber med AWS/Azure/Google Cloud og andre førende cloud-udbydere.

De, der søger en velrenommeret udbyder af kvantecomputere med mange års erfaring, bør overveje at undersøge IonQ nærmere. Virksomheden har i øjeblikket en markedsværdi på 16.3 mia. dollars. Det er værd at bemærke, at aktien har oplevet en vis volatilitet på det seneste med et højdepunkt på 84.64 dollars og et lavpunkt på 17.88 dollars.

Seneste IonQ (IONQ) aktienyheder og præstation

Konklusion

Vigtigheden af ​​at udvikle en metode til masseproduktion af fotoniske chips kan ikke undervurderes. Denne teknologi er kernen i kvanteberegningens ekspansion og skal perfektioneres, før teknologien bliver offentligt tilgængelig. Denne seneste udvikling vil helt sikkert reducere omkostningerne ved at skabe kvanteenheder, hvilket igen burde sikre en stabil forsyning af chips til markedet i fremtiden.

Lær om andre fede gennembrud inden for computerteknologi Her.

Referencer

^{1. Freedman, JM, Storey, MJ, Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, NT, & Eichenfield, M. (2025). Gigahertz-frekvens akustooptisk fasemodulation af synligt lys i et CMOS-fremstillet fotonisk kredsløb. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}