Massatuotettavissa olevat fotoniset piirit voisivat avata kvanttiasteistumisen

Colorado Boulderin yliopiston insinöörit ovat juuri selvittäneet keskeisen askeleen kvanttilaskennan omaksumisessa – skaalautuvuuden. Äärimmäinen tarkkuus, joka vaaditaan kvanttilaitteiden luomiseen, ei ole ollut toistettavissa suuressa mittakaavassa, mikä tarkoittaa, että niiden kustannukset ovat edelleen suurimman osan ihmisten ulottumattomissa.

Onneksi tilanne on määrä muuttua tulevina vuosina, sillä tämä äskettäinen kehitys hyödyntää perinteisiä CMOS‑valmistusmenetelmiä vakaan kvanttipiirin luomiseksi, joka on paljon pienempi ja edullisempi kuin mikään nykyään saatavilla oleva. Tässä on, mitä sinun tulee tietää.

Kvantti vs. Klassinen Laskenta: Fotoniikkaero

Toisin kuin perinteiset tietokoneet, kvanttitietokoneet eivät käytä bittejä eikä perinteisiä piirejä. Sen sijaan ne perustuvat kvanttialitilaan ja kubitteihin laskutoimitusten ratkaisemiseksi. Yksi suosituimmista tavoista rakentaa kvanttitietokoneita perustuu optisten fotonisten modulaattorien hyödyntämiseen.

Nämä laitteet mahdollistavat kvanttitietokoneiden hyödyntää loukkuun asetettuja ioneja tai neutraaleja atomeja kubitteina. Nämä piirit antavat insinööreille mahdollisuuden ohjata säädettävää laseria kubitteihin, jotka viestivät laskentakäskyjä taajuusmodulaatioiden avulla.

Skaalautuvuuden pullonkaula: Miksi massatuotanto epäonnistui

Nykyisissä kvanttitietokoneiden valmistusmenetelmissä on useita ongelmia. Ensisijaisesti massatuotantoa ei ole olemassa. Nämä piirit ovat niin herkkiä ja tarkkoja, että ne täytyy useimmissa tapauksissa rakentaa laboratoriossa yksittäin. Tällä hetkellä kokoonpanomenetelmä perustuu siihen, että insinöörit kokoavat suurimman osan laitteesta käsin.

Lisäksi nämä laitteet integroidaan korkean tehon laserisäteillä, jotka tarjoavat tarkkaa virityskykyä useille kubitteille. Näin ollen niiden on oltava luotettavia ja lämmönkestäviä, erityisesti kun otetaan huomioon, että tulevaisuuden kvanttitietokoneet voivat käyttää tuhansia kubitteja.

Muotokoon rajoitukset

Nykyiset kvanttipiirit ovat liian suuria käytettäväksi useimmissa sovelluksissa. Ne vaativat kriogeenista jäähdytystä, pitkiä optisia polkuja ja hajautettuja kubittisuunnitelmia. Tämä asetus auttaa todellakin melun vähentämisessä, mutta tekee niistä poikkeuksellisen suuria verrattuna perinteisiin tietokonepiireihin.

Lisäksi tulevat kvanttitietokoneiden sukupolvet käyttävät enemmän kubitteja, mikä tarkoittaa, että tänään edistyksellisimmät kvanttitietokoneet ovat edelleen vain pisara ämpärissä verrattuna siihen, mitä on julkisesti saatavilla kymmenen vuoden kuluttua. Tästä syystä näiden laitteiden on pienennettävä koonsa kohtuulliseen muotoon ennen kuin ne saavuttavat laajamittaisen omaksumisen.

Lämpö tuhoaa kvanttitilan

Kaikki kubitteihin viestintään käytetty laserenergia on toinen ongelma, koska se tuottaa paljon lämpöä. Lämpö on aina ollut ongelmallista tietokoneille, riippumatta niiden rakenteesta. Kvanttitietokoneet kuitenkin perustuvat hauraan kvanttitilan ylläpitämiseen laskutoimitusten suorittamiseksi. Siksi ne vaativat kriogeenista jäähdytystä. Tämän seurauksena lämpö voi tehdä nämä laitteet toimimattomiksi.

Välähdys: CMOS‑yhteensopivat fotoniset piirit

Tutkimus “Gigahertsi‑taajuinen akusto‑optinen vaihemodulaatio näkyvässä valossa CMOS‑valmistetussa fotonisessa piirissä,” julkaistu¹ Nature Communications -lehdessä, esittelee täysin uuden lähestymistavan optisten kvanttipiirien tuottamiseen.

Uusi prosessi nähdään monien mukaan ensimmäisenä askeleena fotonisen tietokoneen vallankumouksessa. Laite, joka on 100‑kerta ohuempi kuin hius, yhdistää modulaarisia tekniikoita luodakseen uuden tason tehokkuutta ja vakautta.

Tämä tarkoitukseen rakennettu gigahertsi‑taajuinen akusto‑optinen vaihemodulaattori yhdistää piezoelektrisen transduktorin ja fotonisen aallonjohtimen, minimoiden muotokoon säilyttäen aallonpituusmittakaavan rakenteen.

Optinen vaihemodulaattori

Päivitetty optinen vaihemodulaattori voi hallita laservaloa käyttämällä mikroaaltoja. Mikroaallot saavat valon eksitoitumaan ja värähtelemään miljardeja kertoja sekunnissa, mahdollistaen tarkan virityksen sekä lisätyn vakauten ja tehokkuuden. Erityisesti akusto‑optinen modulaattori integroi fotonisen aallonjohtimen, joka on kiinnitetty piezoelektriseen transduktoriin.

CMOS‑valmistus mahdollistaa massatuotannon

Jotta tiukat kokovaatimukset täytettäisiin, insinöörit päättivät valmistaa laitteen 200 mm waferilla, joka leikattiin sitten 120:ksi eri piiriksi. Prosessi käytti piezo‑opto‑mekaanista alumiini‑nitridi‑SiNx‑alustaa, mikä mahdollisti insinööreille vaihemodulaation hyödyntämisen gigahertsi‑taajuisten sivuharmonioiden luomiseksi 730 nm laserinsyötteessä.

Entistä vaikuttavampaa on se, että he perustuivat vakiopiirivalmistustekniikoihin laitteiden luomisessa, mikä tarkoittaa, että ne voidaan tulevaisuudessa massatuottaa, avaten ovet laajemmalle kvanttialgoritmien saatavuudelle.

Keskustellessaan lähestymistavastaan insinöörit puhuivat siitä, miten CMOS‑valmistus on skaalautuvan teknologian huippu ja miten sen käyttäminen kvanttipiirien luomiseen on ratkaisevaa jatkokehityksen omaksumiselle.

Erityisesti insinöörit käsittelivät, miten tämä teknologia on mahdollistanut monia suosikkisi korkean teknologian laitteita, kuten älypuhelimia, kannettavia tietokoneita ja muita päivittäin käyttämääsi laitteita. He selittivät, miten se on edistänyt teknologian leviämistä ja miten se tekee saman tulevaisuuden kvanttipohjaisten laitteiden osalta.

Lähde – Nature Communications

Kaksitilainen toiminta: Optinen ja elektromekaaninen

Erityisesti optinen vaihemodulaattori voi toimia kahdessa erillisessä tilassa. Ensimmäinen on leviävä optinen tila, joka kuljettaa ja ohjaa fotonisia aallonjohtimia piireissä. Tämä strategia tukee lomittumisen jakelua, reititystä ja koherenssia, tehden siitä keskeisen useimmille toiminnoille.

Toinen tila on sähköisesti aktivoituva hengitystilainen mekaaninen resonanssi, joka perustuu nanorakenteisiin kohdistettuihin mikroaaltoihin, luoden piezoelektrisen toiminnan. Nämä mikroaallot muuttavat fotonien värähtelytaajuuksia ja optisia kenttiä. Erityisesti tämä tila tukee suuria optisia tehoja, tehden siitä ihanteellisen kehittyneille kvanttialgoritmeille.

Suorituskyvyn mittarit: Vakautta & Tehokkuutta

Insinöörit suorittivat useita testejä radiotaajuus‑spektrianalysaattorilla piirin lähtövirran testaamiseksi. Saavuttaakseen tämän tehtävän tiimi kiinnitti piirin varteen, jossa oli laserlähde kytkettynä kuituinterferometriin.

Laitteen toinen pää kytkettiin akusto‑optiseen taajuusmuuttajaan (AOFS). Insinöörit ohjasivat valoa laitteen molempien päät läpi ja yhdistivät sen sitten 50/50 suunnattuun kytkimeen. Tämä mahdollistaa fotonien ohjaamisen spektrianalysaattoriin, parantaen tarkkuutta.

Uusi piiri saavutti optisen tehon arvon 730 nm, mikä ylittää insinöörien asettaman 500 mW tavoitteen. Lisäksi tiimi pystyi virittämään laitteen geometriaa edelleen parantaakseen optomekaanista vuorovaikutusta. Tämä testi paljasti modulaatio syvyyksiä, jotka saavuttivat 4,85 rad käyttämällä vain 80 mW mikroaaltoa, asetettuna 2,31 GHz:iin.

Vaikuttavasti yksikkö rekisteröi alhaisimman taajuusmenetyksen kaikista tähän mennessä valmistetuista piireistä. Erityisesti insinöörit totesi, että uusi piiri oli 15‑kerta vakaampi ja 100‑kerta tehokkaampi mikroaaltotehon vaatimusten suhteen kuin nykyiset käytössä olevat kvanttipiirit.

CMOS‑valmistuksen keskeiset edut

Massatuotetut fotoniset piirit tuovat markkinoille monia etuja. Ensinnäkin ne voidaan valmistaa valtavina määrinä, mikä mahdollistaa teknologian siirtymisen eksklusiivisesta pääsystä suosituksi laskentavaihtoehdoksi. Tämä valmistusmenetelmä on edullisempi ja mahdollistaisi insinööreille suhteellisen pienten kvanttietokoneiden luomisen, jotka integroitavat tuhansia kubitteja.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Tämä valmistusmenetelmä pystyy ensimmäistä kertaa luomaan identtisiä versioita näistä korkean teknologian, monimutkaisista laitteista. Tämä kyky tarkoittaa, että insinöörit voivat luoda ja jakaa tulevaisuuden kvanttitietokoneiden suunnitelmia massoille käyttäen jo olemassa olevia menetelmiä.

Pieni koko

Yksi suurimmista tämän rakenteen eduista on sen pieni koko. 100‑kerta pienempi kuin ihmisen hius, nämä piirit pystyvät tukemaan voimakkaita kvanttietokoneen suunnitelmia. Nämä yksiköt integroitavat tuhansia kubitteja kuten IBM:n (IBM )Condor-piiri, joka käsittelee 1 121 kubittia, mutta sen muotokoko on paljon suurempi suuremman laminoinnin vuoksi.

Korkea suorituskyky

Vaikuttavasti nämä piirit voivat tarjota laskentatehoa, joka on tasavertainen tämän päivän edistyneimpien koneiden kanssa. Ne voivat tukea yli 500 mW optista tehoa, mikä on nykyinen huippu korkean tason kvanttilaskennassa. Lisäksi uusi piirisuunnittelu tukee enemmän optista tehoa ja tarkkuutta kuluttaen samalla huomattavasti vähemmän energiaa.

Entistä tehokkaampi

Tässä lähestymistavassa käytetty vaihemodulaatio vaatii huomattavasti vähemmän mikroaaltoenergiaa verrattuna edeltäjiin. Erityisesti insinöörit totesi, että heidän laitteensa voi suorittaa kvanttitoimintoja käyttäen 80‑kerta vähemmän energiaa. Tämän seurauksena se tuottaa paljon vähemmän lämpöä, mahdollistaen sen yhdistämisen useampiin piireihin voimakkaampien laitteiden luomiseksi.

Todelliset sovellukset: Tunnistus & Verkottuminen

Tällä teknologialla on useita sovelluksia. Ilmeinen käyttö on tulevien kvanttitietokoneiden suunnittelun tukeminen. Nämä korkean suorituskyvyn piirit ovat riittävän pieniä pakattavaksi tiiviisti ja energiatehokkaita, jotta ne eivät aiheuta ylikuumenemisongelmia tässä kokoonpanossa.

Kvanttitunnistus

Kvanttitunnistimet tarjoavat paljon suurempaa tarkkuutta verrattuna perinteisiin tunnistimiin. Ne saavuttavat tämän käyttämällä superpositiota, lomittumista ja puristusta. Nämä toiminnot mahdollistavat laitteen tarkasti mitata muutoksia magneettikentissä, gravitaatiossa, ajassa, lämpötilassa ja muissa. Nämä piirit voisivat auttaa tekemään näistä tunnistimista edullisempia.

Kvanttiverkko

Toinen keskeinen sovellus on kvanttiverkko. Tämä teknologia hyödyntää lomittumista tiedon viestintään korkeilla siirtonopeuksilla. Erityisesti se käyttää kvantti‑Bell‑pareja ja teleporttausta siirtääkseen tiloja ilman kloonausta. Tämän teknologian tavoitteena on luoda infrastruktuuri kvanttiverkkoa varten tulevaisuudessa.

Polku kaupallistamiseen: 7‑10 vuoden tiekartta

Tämä teknologia saattaa kestää noin 7‑10 vuotta ennen kuin se saavuttaa yleisön. Olennaista on, että tämä valmistustekniikka toimii keskeisenä tekijänä kvanttiteknologioiden omaksumisen edistämisessä, mutta sen on ensin oltava hiottu. Kun oikean valmistajan kanssa tehdään yhteistyötä, kustannustehokas strategia tukee jatkokehitystä ja omaksumista.

Tutkimusryhmä & Rahoitus

Colorado Boulderin yliopisto isännöi fotonisten piirien tutkimusta Sandia National Laboratoriesin osallistumisella. Erityisesti Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer ja Sebastian Magri osallistuivat tähän työhön.

Tutkimus sai taloudellista ja materiaaliapua Yhdysvaltain energiaministeriöltä Quantum Systems Accelerator -ohjelman kautta, jota isännöi National Quantum Initiative Science Research Center.

Tulevaisuuden tutkimustavoitteet

Nyt tiimi suuntaa katseensa integroitujen fotonisten piirien luomiseen, jotka pystyvät ylittämään aiemmat suorituskykymittarit. Ryhmä pyrkii parantamaan piirien taajuusgenerointi- ja suodatustaitoja sekä pulssin muotoilumenetelmää suorituskyvyn lisäämiseksi.

Lisäksi insinöörit etsivät strategisia kumppaneita, jotka auttavat ottamaan valmistusmenetelmän käyttöön. Tämä vaihe tarkoittaa yhteydenottoa johtaviin CMOS‑valmistuslaitoksiin ja osan niiden tuotantolaitoksesta varmistamista tälle uudelle piirisuunnittelulle.

Parhaat kvanttilaskennan osakkeet tarkkailtavina

Kvanttilaskentasektori jatkaa laajentumistaan, kilpailu kasvaa kuukausittain. Nykyiset johtavat kvanttitietokoneiden suunnittelijat, piirivalmistajat ja ohjelmoijat vievät tätä teknologiaa uusiin korkeuksiin, avaten ovet innovaatioille laskentatehossa. Tässä on yksi yritys, joka pysyy vallankumouksen eturintamassa.

IonQ (IONQ): Johtaja loukku-ioni-järjestelmissä

IonQ (IONQ ) perusti vuonna 2015 edistääkseen kvanttiteknologiaa. Yrityksen perusti kaksi kvanttialan asiantuntijaa, Christopher Monroe ja tohtori Jungsang Kim. Erityisesti Monroe on ollut keskeinen kvanttitutkimuksissa ja häntä pidetään alan pioneerinä.

IonQ on auttanut innovoimaan teknologiaa, mukaan lukien ensimmäisen toimivan 5‑ytterbium‑ioni‑piirin luomisen, joka suorittaa Deutsch‑Jozsa‑algoritmin. Se lanseerasi myös ensimmäisen kaupallisen loukku‑ioni‑QCaaS:n. Nämä kehitykset auttoivat yritystä saamaan onnistuneesti 636 miljoonaa dollaria.

Tällä hetkellä yritys tarjoaa useita korkean tason kvanttituotteita, mukaan lukien Aria 32‑kubittinen telineasennusjärjestelmä. Lisäksi yritys on solminut strategisia kumppanuuksia AWS:n, Azuren, Google Cloudin ja muiden johtavien pilvipalveluiden kanssa.

Ne, jotka etsivät arvostettua kvanttialan palveluntarjoajaa, jolla on vuosien kokemus, kannattaa tutkia tarkemmin IonQ:ta. Yrityksen markkina-arvo on tällä hetkellä 16,3 miljardia dollaria. Erityisesti sen osake on viime aikoina kokenut jonkinlaista volatiliteettia, huippuarvona 84,64 $ ja alimmillaan 17,88 $.

Viimeisimmät IonQ (IONQ) -osaketuotteiden uutiset ja suorituskyky

Yhteenveto

Massatuotettavien fotonisten piirien kehittämisen merkitystä ei voi liikaa korostaa. Tämä teknologia on kvanttilaskennan laajentumisen ytimessä, ja se on hiottava ennen kuin siitä tulee yleisesti saatavilla. Tämä viimeisin kehitys vähentää varmasti kvanttilaitteiden luomiskustannuksia, mikä puolestaan tarjoaa vakaan piirivaraston markkinoille tulevaisuudessa.

Tutustu muihin hienoihin laskentateknologian läpimurtoihin Täällä.

Lähteet

^{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}