Masseproducerbare fotoniske chips kan låse op for kvanteskalering

Ingeniører ved University of Colorado at Boulder har netop fundet et vigtigt skridt i adoptionen af kvantecomputere – skalerbarhed. Den ekstreme præcision, der kræves for at fremstille kvanteenheder, har ikke kunnet reproduceres 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 benytter traditionelle CMOS-fremstillingsmetoder til at skabe stabile kvantechips, som er meget mindre og mere overkommelige end alt, hvad der findes i dag. Her er, hvad du behøver at vide.

Kvantemodellering vs. Klassisk Computing: Den fotoniske forskel

I modsætning til traditionelle computere bruger kvantecomputere ikke bits og traditionelle chips. I stedet baserer de sig på kvante-superposition og qubits til at løse beregninger. En af de mest populære måder at bygge kvantecomputere på drejer sig om at anvende 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, som kommunikerer driftsinstruktioner til beregninger via frekvensmodulationer.

Skaleringsflaskehalsen: Hvorfor masseproduktion fejlede

Der er flere problemer med de nuværende fremstillingsmetoder for kvantecomputere. Primært er der ingen i forhold til masseproduktion. Disse chips er så følsomme og præcise, at de i de fleste tilfælde skal bygges i laboratoriet på individuel basis. På nuværende tidspunkt afhænger samlingsmetoden af, at ingeniører samler størstedelen af enheden i hånden.

Derudover integrerer disse enheder højtydende laserstråler for at give præcis tuningskapacitet til flere qubits. Som sådan skal de være pålidelige og varmebestandige, især når man overvejer, at fremtidige kvantecomputere kan anvende tusinder af qubits.

Begrænsninger i formfaktor

Nuværende kvantechips er for store til at blive brugt i de fleste anvendelser. De kræver kryogen køling, lange optiske baner og spredte qubit-designs. Denne opsætning hjælper faktisk med at reducere støj, men den gør dem ekstremt store sammenlignet med traditionelle computerchips.

Desuden vil kommende generationer af kvantecomputere bruge flere qubits, hvilket betyder, at de mest avancerede kvantecomputere i dag kun er en dråbe i havet sammenlignet med, hvad der vil være offentligt tilgængeligt om et årti eller så. Følgelig skal disse enheder formindskes til en rimelig formfaktor, før de opnår masseadoption.

Varme ødelægger den kvante tilstand

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

Gennembrud: CMOS-kompatible fotoniske kredsløb

Undersøgelsen “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit” publiceret¹ i tidsskriftet Nature Communications introducerer en helt ny tilgang til fremstilling af optiske kvantechips.

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

Denne formålsbyggede gigahertz-frekvens akusto‑optiske fase-modulator kombinerer en piezoelektrisk transducer og en fotonisk bølgeledning, hvilket minimerer formfaktoren samtidig med at den bevarer en bølgelængde‑skala struktur.

Optisk fase-modulator

Den opgraderede optiske fase-modulator kan kontrollere laserlys ved hjælp af mikrobølgefrekvenser. Mikrobølgerne får lyset til at blive exciteret og vibrere milliarder af gange per sekund, hvilket muliggør præcis tuning samt øget stabilitet og effektivitet. Specifikt integrerer den akusto‑optiske modulator en fotonisk bølgeledning 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, som derefter blev skåret i 120 forskellige chips. Processen brugte en piezo‑optomekanisk aluminium‑nitrat‑SiNx‑platform, som gjorde det muligt for ingeniører at anvende fase‑modulation til at skabe gigahertz‑frekvens sidebånd på en 730 nm laserindgang.

Endnu mere imponerende er, at de benyttede standard chip‑fremstillingsteknikker til at skabe enhederne, hvilket betyder, at de kan masseproduceres i fremtiden og åbner døren for bredere adgang til kvantecomputing.

Da de diskuterede deres tilgang, udtalte ingeniørerne, at CMOS‑fremstilling er toppen af skalerbar teknologi, og at anvendelsen af den til at skabe kvantechips er afgørende for yderligere adoption.

Specifikt forklarede ingeniørerne, hvordan denne teknologi har gjort mange af dine foretrukne high‑tech‑enheder mulige, herunder smartphones, laptops og andre enheder, du er afhængig af dagligt. De beskrev, hvordan den har spredt denne teknologi, og hvordan den vil gøre det samme for fremtidens kvante‑drevne enheder.

Kilde – Nature Communications

Dobbelt-tilstand drift: Optisk og elektromechanisk

Bemærkelsesværdigt kan den optiske fase‑modulator operere i to distinkte tilstande. Den første er den udbredende optiske tilstand, som udbreder og guider fotoniske bølgeledninger på kredsløb. Denne strategi understøtter entanglement‑distribution, routing og koherens, hvilket er afgørende for de fleste operationer.

Den anden tilstand er elektrisk excitabel “breathing‑mode” mekanisk resonans, som baserer sig på mikrobølger anvendt på nanostrukturer, hvilket skaber piezoelektrisk aktuation. Disse mikrobølger ændrer foton‑oscillationsrater og optiske felter. Bemærkelsesværdigt understøtter denne tilstand høje optiske kræfter, hvilket gør den ideel til avancerede kvanteberegninger.

Ydelsesbenchmark: Stabilitet & Effektivitet

Ingeniørerne udførte flere tests på en radiofrekvens‑spektumanalysator for at teste chip‑ens output. For at udføre denne opgave monterede teamet chippen på en arm, der havde en laserskilde koblet til en fiber‑interferometer.

Den anden ende af enheden var forbundet til en akusto‑optisk frekvens‑shifter (AOFS). Ingeniørerne førte lys gennem begge ender af enheden og kombinerede det derefter ved hjælp af en 50/50 retningskobler. Dette gør det muligt for fotonerne at blive rettet mod spektumanalysatoren, hvilket øger nøjagtigheden.

Den nye chip opnåede en optisk effektivitetsrating på 730 nm, hvilket overgår det 500 mW mål, som ingeniørerne havde sat. Derudover var teamet i stand til at justere enhedens geometri for yderligere at forbedre optomekanisk interaktion. Testen afslørede modulationsdybder på op til 4,85 rad ved kun 80 mW mikrobølger indstillet til 2,31 GHz.

Imponerende registrerede enheden det laveste frekvens‑tab af enhver chip til dato. Specifikt bemærkede ingeniørerne, at den nye chip var 15 × mere stabil og 100 × mere effektiv med hensyn til mikrobølge‑energikrav end de nuværende kvantechips i brug.

Vigtige fordele ved CMOS-fremstilling

Der er mange fordele, som masseproducerede fotoniske chips vil bringe til markedet. For det første kan de fremstilles i massive mængder, hvilket gør teknologien tilgængelig fra eksklusiv adgang til en populær beregningsmulighed. Denne fremstillingsmetode er mere overkommelig og vil gøre det muligt for ingeniører at skabe relativt små kvantecomputere, der integrerer tusinder af qubits.

Swipe for at rulle →

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

Lille størrelse

En af de største fordele ved dette layout er den lille størrelse. Med 100 × mindre end et menneskehår kan disse chips understøtte kraftfulde kvantecomputer‑designs. Disse enheder vil integrere tusinder af qubits som IBM’s (IBM )Condor chip, som håndterer 1.121 qubits men har en meget større formfaktor på grund af den større laminat.

Høj ydeevne

Imponerende kan disse chips levere beregningskraft på niveau med dagens mest avancerede maskiner. De kan understøtte over 500 mW optisk effekt, hvilket er den nuværende top‑grænse for high‑end kvantecomputing. Derudover understøtter det nye chip‑design mere optisk effekt og præcision, mens det forbruger langt mindre energi.

Mere effektiv

Fase‑modulationen, der anvendes i denne tilgang, kræver langt mindre mikrobølge‑effekt sammenlignet med forgængerne. Specifikt bemærkede ingeniørerne, at deres enhed kan udføre kvante‑handlinger med 80 × mindre energi. Følgelig producerer den meget mindre varme, hvilket gør det muligt at koble den med flere chips for at skabe kraftigere enheder.

Reelle anvendelser: Sensorik & Netværk

Der er flere anvendelser af denne teknologi. Den åbenlyse brug vil være at understøtte fremtidigt kvantecomputer‑design. Disse højtydende chips er små nok til at blive pakket tæt sammen og energieffektive nok til ikke at skabe overophedningsproblemer i denne konfiguration.

Kvantemåling

Kvantesensorer giver langt større nøjagtighed sammenlignet med traditionelle sensorer. De opnår dette gennem brug af superposition, entanglement og squeezing. Disse handlinger gør det muligt for enheden at måle ændringer i magnetfelter, tyngdekraft, tid, temperatur og mere med høj præcision. Disse chips kunne hjælpe med at gøre sådanne sensorer mere overkommelige.

Kvantenetværk

En anden nøgleanvendelse er kvantenetværk. Denne teknologi udnytter entanglement til at kommunikere data med høje transmissionshastigheder. Specifikt anvender den kvante‑Bell‑par og teleportation til at overføre tilstande uden at klone dem. Målet med denne teknologi er at skabe en infrastruktur for det kvante‑internet en dag.

Vejen til kommercialisering: 7-10 års køreplan

Det vil tage omkring 7‑10 år, før denne teknologi når offentligheden. Kritisk vil denne fremstillingsteknik være en drivkraft i at presse adoptionen af kvanteteknologier frem, men først skal den perfektioneres. Når den er partneret med den rette producent, vil den lav‑omkostnings‑strategi understøtte yderligere integration og adoption.

Forskningshold & Finansiering

University of Colorado at Boulder var vært for studiet af de fotoniske chips med deltagelse fra 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.

Studiet modtog finansiel og materiel støtte fra det amerikanske energiministerium gennem Quantum Systems Accelerator‑programmet, som er vært ved National Quantum Initiative Science Research Center.

Fremtidige forskningsmål

Nu vil teamet sætte sig for at skabe integrerede fotoniske kredsløb, der kan overgå tidligere præstationsmål. Gruppen søger at forbedre chip‑ens frekvens‑generering og filtreringsevner samt pulsgestaltning for yderligere ydeevne.

Derudover vil ingeniørerne finde strategiske partnere til at hjælpe med at bringe deres fremstillingsmetode i drift. Dette skridt betyder at henvende sig til de førende CMOS‑fremstillingssteder og sikre en del af deres fabrik til dette nye chip‑design.

Top kvantecomputing-aktier at holde øje med

Kvantecomputing‑sektoren fortsætter med at udvide sig, med konkurrencen, der stiger månedligt. Dagens førende kvantecomputer‑designere, chip‑producenter og programmører fortsætter med at skubbe denne teknologi til nye højder, hvilket åbner døren for innovationer inden for beregningskraft. Her er et firma, der forbliver i spidsen for denne revolution.

IonQ (IONQ): En leder inden for fangede ion-systemer

IonQ (IONQ ) blev lanceret i 2015 for at drive kvanteteknologi fremad. Virksomheden blev grundlagt af to kvantecomputing‑eksperter, Christopher Monroe og Dr. Jungsang Kim. Bemærkelsesværdigt har Monroe været central i kvante‑studier og betragtes som en pioner i branchen.

IonQ har hjulpet med at innovere teknologien, herunder ved at skabe den første operationelle 5‑ytterbium‑ion‑chip, der kører Deutsch‑Jozsa‑algoritmen. De lancerede også den første kommercielle trapped‑ion‑QCaaS. Disse udviklinger hjalp virksomheden med at sikre $636 M.

På nuværende tidspunkt tilbyder virksomheden flere højniveau‑kvanteprodukter, herunder deres Aria 32‑qubit rack‑mount system. Derudover har virksomheden sikret strategiske partnerskaber med AWS/Azure/Google Cloud og andre førende cloud‑udbydere.

De, der søger en pålidelig kvantecomputing‑udbyder med mange års erfaring, bør overveje at undersøge IonQ nærmere. Virksomheden har i øjeblikket en markedsværdi på $16,3 B. Bemærkelsesværdigt har aktien oplevet noget volatilitet for nylig, med et højdepunkt på $84,64 og et lavpunkt på $17,88.

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 udvidelsen af kvantecomputing og skal perfektioneres, før den bliver offentligt tilgængelig. Denne seneste udvikling vil uden tvivl reducere omkostningerne ved at skabe kvanteenheder, hvilket igen bør sikre en stabil forsyning af chips til markedet i fremtiden.

Lær om andre seje gennembrud inden for computing‑teknologi her.

Referencer

^{1. Freedman, J. M., Storey, M. J., Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, N. T., & Eichenfield, M. (2025). Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}