Kvanttihyppy: Maailman ensimmäinen hybridikvantti-fotoninen siru

Investoinnin räjähdysmäisen kasvun ja läpimurtojen lisääntymisen myötä kvanttiteknologia on lähempänä kuin koskaan toteutua todellisuudessa. 

McKinseyn mukaan kvanttiteknologian kolme pääpilaria, jotka ovat kvanttilaskenta, kvanttiviestintä ja kvanttitunnistus, yhdessä voisivat tuottaa jopa $97 miljardia liikevaihtoa maailmanlaajuisesti seuraavan vuosikymmenen aikana.

Teknologia käsittelee kvanttimekaniikan periaatteita luodakseen innovatiivisia teknologioita, jotka ylittävät perinteisten teknologioiden kyvyt.

Yksi lupaavimmista tavoista kehittää kvanttiteknologioita on fotoniikka. Tämä johtuu sen luonnollisesta yhteensopivuudesta optisten yhteyksien kanssa lomittumisen jakeluun, sen kestävyydestä decoherencea vastaan huoneenlämmössä sekä kyvystä pienentää se sirun mittakaavaan.

Fotoniikka on valon (fotonien) tiede, ja se käsittelee valon tuottamista, havaitsemista ja manipulointia erilaisiin sovelluksiin.

Kvanttifotonisten järjestelmien osalta piisirun fotoniikka tarjoaa skaalautuvimman alustan. Ne voidaan rakentaa puolijohteiden valmistustekniikoilla, jotka on kehitetty komplementaarisessa metallioksidipuolijohde (CMOS) mikroelektroniikkateollisuudessa, joka jo tuottaa siruja massatuotantona.

Vaikka piisirun fotoniikka voisi pian olla käytössä valtavien fyysisten kubittien luomiseen, joita tarvitaan hyödyllisen kvanttitiedon käsittelyn saavuttamiseksi pienikokoisissa optisissa laitteissa valon kvanttitalojen tuottamiseen ja manipulointiin, näiden piisirun kvanttifotonisten integroituja piirejä rakentaminen aiheuttaa vakavia haasteita.

Ongelmat liittyvät lämpöinen ristiinkytkentä, vapaan kantajan ja itsekuumenemisen epälineaarisuuksiin sekä tarpeeseen hallita äärimmäistä herkkyyttä lämpötilan ja prosessin pienille vaihteluille.

Asia on se, että piisirun kvanttifotonisten laitteiden toimimiseksi oikein ne tarvitsevat jatkuvaa seurantaa sekä ohjausta elektronisten piirikytkentöjen avulla. Siksi massiivisia sirun ulkopuolisia elektroniikkakomponentteja on käytetty, mikä osittain ratkaisee ongelmia, mutta se myös johtaa siihen, että sirun mittakaavan alustan monia etuja menetetään.

Jotta piisirun fotoniikan täysi potentiaali kvanttisen tiedonkäsittelyn alustana toteutuu, meidän on ratkaistava klassisen ohjauksen pullonkaula.

Niinpä monitieteinen tutkijaryhmä on esitellyt elektroninen-fotoninen kvanttijärjestelmän sirulla. Se on valmistettu kaupallisessa 45 nm CMOS-mikroelektroniikan foundryssa.

Tämä on maailman ensimmäinen hybridisiru, joka yhdistää elektroniikan, fotoniikan ja kvanttien voiman.

CMOS-teknologian käyttö tekee tästä tutkimuksesta erityisen kiitettäväksi. Tämä puolijohdeteollisuuden teknologia on modernin elektroniikan kulmakivi. Yritykset kuten Samsung, Sony, Intel (INTC ) ja TSMC käyttävät sitä massatuottamaan elektroniikkaa.

45 nm solmu on samalla todennettu ja kustannustehokas. Se on myös yhteensopiva laajan piisirun valmistusinfrastruktuurin kanssa.

Heidän täysin integroidun, modulaarisen ohjauslähestymistapansa, tiimin mukaan, “rajaa tietä piisirun kvanttifotonikalle saavuttaakseen massiivisen mittakaavan, joka vaaditaan tulevien kvanttisen tiedon järjestelmäsukupolvien tarpeisiin.”

Monitieteinen yhteistyö vie kvanttiteknologian lähemmäs todellisuutta

Uusin tutkimus, joka merkitsee merkittävää läpimurtoa kvanttiteknologiassa, toteutettiin UC Berkeleyn, Boston Universityn ja Northwestern Universityn tutkijoiden toimesta.

“Tämäntyyppinen monitieteinen yhteistyö, jota tämä työ vaati, on juuri se, mitä tarvitaan siirtämään kvanttijärjestelmät laboratoriosta skaalautuviin alustoihin. Emme olisi voineet tehdä tätä ilman yhdistettyjä ponnistuksia elektroniikassa, fotoniikassa ja kvanttimittauksessa.”

– Prem Kumar, sähkö- ja tietojenkäsittelytekniikan professori Northwesternissa

Tutkimusta tuki National Science Foundation. Julkaistu Nature Electronics -lehdessä, tutkimus kuvaa järjestelmää, joka on onnistuneesti integroinut kvanttivalolähteet ja vakauttavat elektroniikat yhteen piisirun siruun, valmistettuna standardilla 45 nm puolijohdeprosessilla.

Tämä yhdistelmä mahdollistaa sirun tuottavan jatkuvasti korreloituja fotonipareja, jotka ovat erilaisten kvantasovellusten perusta.

Jokaisessa piisirun sirussa on sarja “kvanttivalotehtaita”, yhteensä kaksitoista itsenäistä kvanttivalolähdettä, jotka saavat energiansa laservalosta. Ne myös riippuvat mikorengir resonansseista fotoniparien tuottamiseksi. Jokaisen näiden lähteiden koko on alle millimetrin jokaisessa suunnassa.

Tämä merkitsee merkittävää askelta kohti monimutkaisempien kvanttijärjestelmien kehittämistä, jotka koostuvat useista toisiinsa kytketyistä siruista, sekä “kvanttivalotehdas”-siruja massatuotannossa. BU:n vanhemman tutkimuskirjoittajan Miloš Popovićin, joka on sähkö- ja tietojenkäsittelytekniikan apulaisprofessori, mukaan:

“Kvanttilaskenta, -viestintä ja -tunnistus ovat vuosikymmenten mittaisella polulla konseptista todellisuuteen. Tämä on pieni askel tuolla polulla—mutta tärkeä, koska se osoittaa, että voimme rakentaa toistettavia, hallittavia kvanttijärjestelmiä kaupallisissa puolijohdefoundryissa.”

Tällä hetkellä kvanttiteknologia, kehityksen alkuvaiheessa, eroaa nykyisistä tietokoneista, jotka käyttävät klassisia bittejä, jotka ovat joko nolla tai yksi, hyödyntämällä kvanttibittejä (kubitteja).

Nämä kubitit voivat olla samanaikaisesti superpositiossa molemmissa tiloissa, mikä mahdollistaa kvanttitietokoneiden suorittaa laskelmia rinnakkain, ja johtaa näin valtaviin nopeutuksiin. Tässä superpositio tarkoittaa kvanttisysteemin olemassaoloa useissa tiloissa yhtä aikaa.

Skalautuvuuskoodin murtaminen reaaliaikaisella itsevirityksellä

Nyt on olemassa erilaisia tapoja soveltaa kvanttiteknologiaa, ja fotoniikka on yksi niistä, jossa hallittu valovirta, yksittäiset fotonit tai lomittuneet fotoniparit, ovat tarpeen toiminnon suorittamiseen. 

Nämä tasaiset kvanttivalovirrat tuotetaan laitteilla kuten mikorengir resonanssit ja kvanttipisteet.

Mikorengir resonanssit ovat tarkasti suunniteltuja fotoniikkalaitteita, jotka mahdollistavat valon kvanttitalojen tuottamisen sirulla. Ne ovat olennaisia piisirun fotoniikassa, koska ne tarjoavat erittäin tehokkaan tavan ohjata valoa nanometriskaalassa. Tämä saavutetaan kiertämällä valo ympyrässä tavoitellun aallonpituuden (resonanssin) saavuttamiseksi.

Jotta voidaan tuottaa kvanttivalovirtoja korreloitujen fotoniparien muodossa, mikorengir resonanssit on viritettävä synkronissa sisääntulevan laservalon kanssa, joka syöttää kutakin kvanttivalotehdasta sirulla. Sitä käytetään myös polttoaineena generointiprosessissa.

Resonanssit ovat kuitenkin erittäin herkkiä lämpötilan ja valmistuksen vaihteluille. Tämä voi aiheuttaa niiden epäsynkronisuuden ja häiritä tasaisen kvanttivalon tuotantoa.

Estääkseen valon tuotannon häiriöt, kun resonanssit työntyvät epäsynkroniin, tiimi rakensi integroidun järjestelmän, joka aktiivisesti vakauttaa kvanttivalolähteitä sirulla, erityisesti resonansseja, jotka tuottavat korreloituja fotoneja. Nämä valolähteet ovat läsnä jokaisessa sirussa ja toimivat rinnakkain.

“Mitä eniten innostaa, on että upotimme ohjauksen suoraan sirulle — vakauttaen kvanttiprosessin reaaliajassa. Tämä on kriittinen askel kohti skaalautuvia kvanttijärjestelmiä.”

– Anirudh Ramesh, Northwesternin tohtorikoulutuksen opiskelija, joka johti kvanttimittoja

Mielenkiintoista on, että mikorengir resonanssien äärimmäinen herkkyys on itse asiassa kvanttivalolähteiden perusta, juuri se syy, miksi kvanttivalovirrat voidaan tuottaa tehokkaasti ja minimaaliseen sirualueeseen. Kuitenkin pienetkin lämpötilamuutokset voivat merkittävästi vaikuttaa fotoniparien generointiprosessiin.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijat asensioivat reaaliaikaisen ohjausjärjestelmän suoraan sirulle. He integroivat fotodiodit jokaisen resonanssin sisään erityisellä tavalla, mahdollistaen niiden suorituskyvyn seurannan, erityisesti linjauksen sisääntulevan laserin kanssa, samalla säilyttäen kvanttivalon tuotannon.

Sillä välin sirun pienikokoiset lämmittimet ja ohjauslogiikka säätävät jatkuvasti resonanssia poikkeaman mukaan. Joten, vaikka olosuhteet vaihtelisivat, tämä sisäänrakennettu palautesilmukka ylläpitää kvanttivalon tuotantoprosessia, aiheuttaen laitteen käyttäytymään ennustettavasti.

Itseviritys mahdollistaa kaikkien kahdentoista resonanssin toimimisen täydellisessä synkronissa ilman massiivisia vakautuslaitteita. Tämä on merkittävä seikka, sillä se on avainvaatimus kvanttijärjestelmien skaalaamiselle. Boston Universityn tohtorikoulutuksen opiskelija Imbert Wang, joka johti fotoniikkalaitteiston suunnittelua, mukaan:

“Keskeinen haaste aiempaan työhömme verrattuna oli viedä fotoniikkasuunnittelu täyttämään kvanttivalon vaativat vaatimukset pysyen samalla kaupallisen CMOS-alustan tiukkojen rajoitusten sisällä. Tämä mahdollisti elektroniikan ja kvanttivalon yhteissuunnittelun yhtenäisenä järjestelmänä.”

Koko järjestelmä valmistettiin kaupallisella 45 nm CMOS-sirualustalla, joka kehitettiin yhteistyössä BU:n, UC Berkeleyn, GlobalFoundriesin ja Ayar Labsin kanssa. Startup Ayar Labs on mukana luomassa teknologiaa siruille, jotka käyttävät valopulsseja, ja on varmistanut 155 miljoonan dollarin riskirahoituksen AMD Venturesilta, Intel Capitalilta ja Nvidialta miljardin dollarin arvostuksella, mikä “asettaa perustan massatuotannolle.”

Valmistusprosessi mahdollistaa kehittyneet optiset yhteydet tekoälylle ja supertietokoneille, ja nyt monimutkaiset kvanttifotoniset järjestelmät skaalautuvalla piisirun alustalla.

“Tavoitteemme oli osoittaa, että monimutkaiset kvanttifotoniset järjestelmät voidaan rakentaa ja vakauttaa kokonaan CMOS-sirulla. Tämä vaati tiukkaa koordinointia eri alojen välillä, jotka eivät yleensä kommunikoi keskenään.”

Sirun riippuvuus jo käytössä olevista tekniikoista tarkoittaa, että uusien asetelmien luomista ei tarvita, mikä puolestaan raivaa tietä skaalautuvalle kvanttilaskennalle.

Sijoittaminen kvanttijärjestelmiin 

Kvanttiteknologian maailma tekee nopeaa edistystä, lähentyen todellisuutta vuodesta toiseen. Tässä International Business Machines on yksi alan johtajista, erityisesti kvanttialueella. Äskettäin IBM®:n ja kvanttialan startupin Pasqalin tutkijat julkaisivat valkoisen kirjan, jossa he esittelivät kvantti-etulyöntiin määritelmän, miten väitteet voidaan tieteellisesti vahvistaa ja keinot sen saavuttamiseksi.

International Business Machines (IBM )

Tässä kuussa IBM Quantum teki yhteistyötä Moderaan mallintaakseen mRNA-rakennetta kvanttisimulaation avulla. Tätä varten he käyttivät 80 kubittia IBM Quantum Heron -prosessorista, joka suoritti erikoistuneen algoritmin tavoitteena “parantaa ihmisten terveyttä.”

“Uskomme, että on kriittistä tutkia kaikkia käytettävissä olevia työkaluja, mukaan lukien kvanttilaskenta, skaalataksemme edistymistämme tänään sen sijaan, että odottaisimme teknologian täydellistä kypsymistä tulevaisuudessa.”

– Moderean tieteellinen johtaja kvanttialgoritmeille ja -sovelluksille, Alexey Galda

Viime kuussa IBM teki myös suuren ilmoituksen, että se rakentaa maailman ensimmäisen laajamittaisen kvanttitietokoneen, jonka odotetaan toimitettavan asiakkaille vuonna 2029.

Virheenkestävien kvanttitietokoneiden nimeltä IBM Starling on 20 000 kertaa voimakkaampi kuin nykyiset kvanttitietokoneet ja “vaatisi muistin, joka on enemmän kuin kvindekilliardi maailman tehokkaimmista supertietokoneista.”

Yrityksen tiekartan mukaan Starlingin saapuminen seuraa useita virstanpylväitä, mukaan lukien ensimmäinen ‘kvantti-etulyönti’ -demo ensi vuonna, jolloin kvanttitietokoneet alkavat ylittää klassiset tietokoneet käytännön laskentasovelluksissa.

Mutta ennen sitä IBM Quantum Loon lanseerataan myöhemmin tänä vuonna Nighthawk-sirunsa kanssa. Ja jossain ensi vuonna IBM Quantum Kookaburra seuraa sitä, esitellen yrityksen ensimmäisen modulaarisen prosessorin, joka tallentaa ja käsittelee koodattua tietoa. Sitten IBM Quantum Cockatoo otetaan käyttöön vuoden jälkeen, jonka arkkitehtuuri “yhdistää kvanttisirut toisiinsa kuin solmut suuremmassa järjestelmässä, välttäen tarpeen rakentaa epäkäytännöllisen suuri siru.”

Nämä julkaisut johtavat lopulta Starlingin lanseeraukseen ennen vuosikymmenen loppua. Tämä innovaatio pyrkii suorittamaan “100 miljoonaa kvanttitoimintoa käyttäen 200 loogista kubittia.”

Starlingin avulla IBM pyrkii ratkaisemaan todellisia haasteita, mitä kvanttiteknologia ei ole vielä saavuttanut. Toimitusjohtajansa Arvind Krishnan mukaan heidän kvanttitietokoneensa “avaa valtavat mahdollisuudet liiketoiminnalle.”

(GFS ) (NVDA )

Tiekartan mukaan IBM:n kvanttien laskentatavoitteet ulottuvat Starlingin yli. Blue Jay on toisen sukupolven virheenkestävä kvanttien laskennan ISA, jonka odotetaan saapuvan vasta vuoden 2033 jälkeen. Silloin laskentaplatformi saattaa skaalautua miljardiin porttiin ja 2 000 loogiseen kubittiin.

Kun tarkastellaan $262 miljardia markkina-arvoista IBM:n markkinasuorituskykyä, joka on globaali hybridipilvi- ja tekoäly- sekä konsultointipalvelujen tarjoaja, sen osakkeet kaupankäyvät tällä hetkellä yli $265, nousua 28,29 % vuoden alusta. Yritys maksaa osinkotuoton 2,38 %.

Viimeisimpänä yritys raportoi Q2 2025 -tuloksensa, jotka osoittivat 8 % liikevaihdon kasvun $17 miljardiin, $6,1 miljardia nettokassaa liiketoiminnasta, ja vapaan kassavirran $4,8 miljardia.

“Ylitettiin jälleen odotukset liikevaihdosta, voitosta ja vapaan kassavirran osalta neljänneksellä. IBM pysyy markkinoilla erittäin erottuvana syvän innovaation ja toimialan asiantuntemuksen ansiosta, jotka ovat molemmat ratkaisevia auttaessaan asiakkaita käyttöönotossa ja AI:n skaalaamisessa. Generatiivisen AI:n liiketoimintamme jatkaa kiihtymistään ja on nyt yli $7,5 miljardia.”

– Toimitusjohtaja Krishna

Uusimmat International Business Machines (IBM) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Yhteenveto

Kvanttiteknologia kehittyy nopeasti, kulkien konseptista skaalautuvaan teollisuuteen, jonka taustalla ovat läpimurtot kuten hybridikvantti-elektroniikka-fotoniset sirut.

Integroimalla kvanttivalolähteet, vakauttavat elektroniikat ja skaalautuvan valmistuksen yhdeksi siruksi, tutkimus on optimaalisesti luonut tiekartan kvanttisen tulevaisuuden. Ja kun kvanttifotoniset järjestelmät edistyvät, uusimmat hybridisirut voivat muodostua teknologioiden, kuten kehittyneen tunnistuksen, turvallisten viestintäverkkojen ja kvanttilaskennan, perustaksi.

Kun IBM rakentaa massiivisia kvanttiprocesseja, ajat ovat varmasti jännittäviä, ja seuraava vuosikymmen näyttää olevan optimaalinen merkkaamaan hetken, jolloin kvanttilaskenta lopulta tuottaa todellista vaikutusta.

Klikkaa tästä saadaksesi listan vuoden 2025 parhaista kvanttilaskentayrityksistä.

Lähteet:

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. Skaalautuva palautteenvakautus kvanttivalolähteille CMOS-sirulla. Nature Electronics, 8, (2025). Julkaistu verkossa 14. heinäkuuta 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. Kehys kvantti-etulyönniksi. arXiv esikirjoitus arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Julkaistu verkossa 14. heinäkuuta 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658