Salto Quantico: Il Primo Chip Ibrido Quantistico‑Fotonic​o al Mondo

Con gli investimenti in forte crescita e le scoperte che si moltiplicano, la tecnologia quantistica è più vicina che mai a diventare una realtà. 

Secondo McKinsey, i tre pilastri principali della tecnologia quantistica, ovvero quantum computing, comunicazione quantistica e rilevamento quantistico, insieme potrebbero generare fino a $97 miliardi di fatturato a livello globale entro il prossimo decennio. 

La tecnologia si occupa dei principi della meccanica quantistica per creare tecnologie innovative che superano le capacità delle tecnologie classiche.

Uno dei modi promettenti per sviluppare tecnologie quantistiche è la fotonica. Questo è dovuto alla sua naturale compatibilità con gli interconnettori ottici per la distribuzione dell’entanglement, alla sua robustezza contro la decoerenza a temperatura ambiente e alla capacità di essere ridotta a un formato su chip.

La fotonica è la scienza della luce (fotoni) e si occupa della generazione, rilevazione e manipolazione della luce per varie applicazioni.

Per i sistemi quantistici‑fotonici, la fotonica su silicio offre la piattaforma più scalabile. Possono essere costruiti utilizzando le tecniche di fabbricazione dei semiconduttori sviluppate nell’industria microelettronica complementare metal‑oxide‑semiconductor (CMOS), che già produce chip su larga scala.

Mentre la fotonica su silicio potrebbe presto essere utilizzata per creare un numero enorme di qubit fisici, necessari per ottenere un’elaborazione dell’informazione quantistica utile in dispositivi ottici miniaturizzati per generare e manipolare stati quantistici della luce, la costruzione di questi circuiti integrati quantistici‑fotonici su silicio presenta seri problemi.

I problemi sono legati al crosstalk termico, alle non linearità dovute a portatori liberi e al riscaldamento autonomo, e alla necessità di gestire l’estrema sensibilità a qualsiasi variazione di temperatura e di processo. 

Il punto è che, perché i dispositivi fotonici quantistici su silicio funzionino correttamente, hanno bisogno di monitoraggio continuo e di controllo da parte di circuiti elettronici. Quindi, sono state utilizzate elettroniche ingombranti fuori chip, che affrontano parzialmente i problemi, ma ciò comporta anche la perdita di molti vantaggi di una piattaforma su chip. 

Per realizzare il pieno potenziale della fotonica su silicio come piattaforma per l’elaborazione dell’informazione quantistica, dobbiamo risolvere il collo di bottiglia del controllo classico.

Così, un team interdisciplinare di ricercatori ha introdotto un sistema quantistico elettronico‑fotonico su chip. È fabbricato in una fonderia microelettronica commerciale a 45‑nm CMOS.

Questo è il primo chip ibrido al mondo che combina elettronica, fotonica e potenza quantistica. 

L’uso del CMOS rende la ricerca ancora più lodevole. Questa tecnologia dei semiconduttori è la pietra angolare dell’elettronica moderna. Aziende come Samsung, Sony, Intel (INTC ) e TSMC la utilizzano per produrre elettronica in massa.

Il nodo a 45 nm, nel frattempo, è collaudato e conveniente. È anche compatibile con la vasta infrastruttura di produzione del silicio.

Il loro approccio di controllo modulare completamente integrato, secondo il team, “apre la strada alla fotonica quantistica su silicio per raggiungere la scala massiva necessaria per le future generazioni di sistemi di informazione quantistica.”

La Collaborazione Interdisciplinare Avvicina la Tecnologia Quantistica alla Realtà

Lo studio più recente, che segna una grande svolta nella tecnologia quantistica, è stato condotto da ricercatori dell’UC Berkeley, della Boston University e della Northwestern University.

“Il tipo di collaborazione interdisciplinare richiesto da questo lavoro è esattamente ciò che serve per portare i sistemi quantistici dal laboratorio a piattaforme scalabili. Non avremmo potuto farlo senza gli sforzi combinati in elettronica, fotonica e misurazione quantistica.”

– Prem Kumar, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Northwestern

La ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation. Pubblicato su Nature Electronics, lo studio descrive il sistema¹ che ha integrato con successo sorgenti di luce quantistica ed elettronica di stabilizzazione su un unico chip di silicio, fabbricato usando il processo standard a 45 nm.

Questa combinazione è ciò che permette al chip di generare costantemente flussi di coppie di fotoni correlati, che sono la base di varie applicazioni quantistiche.

Ogni chip di silicio ha un array di “fabbriche di luce quantistica”, in totale dodici sorgenti di luce quantistica indipendenti che sono alimentate da luce laser. Dipendono anche da risonatori a microring per generare coppie di fotoni. Ognuna di queste sorgenti ha una dimensione inferiore a un millimetro in ogni direzione.

Questo segna un passo importante verso lo sviluppo di sistemi quantistici più complessi composti da più chip interconnessi e la produzione di massa di chip “fabbrica di luce quantistica”. Secondo l’autore senior dello studio Miloš Popović, professore associato di ingegneria elettrica e informatica alla BU:

“Il calcolo quantistico, la comunicazione e il rilevamento sono su un percorso di decenni dal concetto alla realtà. Questo è un piccolo passo su quel percorso, ma importante, perché dimostra che possiamo costruire sistemi quantistici ripetibili e controllabili in fonderie di semiconduttori commerciali.”

Attualmente, nelle prime fasi di sviluppo, la tecnologia quantistica differisce dai computer esistenti, che usano bit classici che sono zero o uno, utilizzando i bit quantistici (qubit).

Questi qubit possono esistere in una sovrapposizione di entrambi gli stati allo stesso tempo, permettendo ai computer quantistici di eseguire calcoli in parallelo, portando così a enormi accelerazioni. Qui, la sovrapposizione è l’esistenza di un sistema quantistico in più stati contemporaneamente.

Decifrare il Codice della Scalabilità con l’Auto‑Regolazione in Tempo Reale

Ora, ci sono diversi modi in cui la tecnologia quantistica può essere applicata, e la fotonica è uno di questi, dove è necessario un flusso controllato di luce, fotoni singoli o coppie di fotoni entangled, per svolgere la loro funzione. 

Questi flussi costanti di luce quantistica sono generati usando dispositivi come risonatori a microring e punti quantistici.

I risonatori a microring sono dispositivi fotonici progettati con precisione che consentono la generazione di stati quantistici della luce su un chip. Questi sono elementi essenziali nella fotonica su silicio, poiché offrono un modo molto efficiente di guidare la luce a scala nanometrica. Ciò è ottenuto facendo circolare la luce in un cerchio per raggiungere una lunghezza d’onda target (risonanza).

Per generare flussi di luce quantistica sotto forma di coppie di fotoni correlati, i risonatori a microring devono essere sintonizzati in sincronia con la luce laser in ingresso che alimenta ogni “fabbrica” di luce quantistica sul chip. Viene anche usata come carburante per il processo di generazione.

I risonatori, tuttavia, sono molto sensibili alle variazioni di temperatura e di fabbricazione. Questo può farli uscire dalla sincronia e interrompere la generazione costante di luce quantistica.

Per evitare l’interruzione della generazione di luce quando i risonatori vengono spinti fuori sincronia, il team ha costruito un sistema integrato che stabilizza attivamente le sorgenti di luce quantistica sul chip, in particolare i risonatori che generano flussi di fotoni correlati. Queste sorgenti di luce sono presenti in ogni chip e operano in parallelo. 

“Ciò che mi entusiasma di più è che abbiamo integrato il controllo direttamente sul chip — stabilizzando un processo quantistico in tempo reale. È un passo critico verso sistemi quantistici scalabili.”

– Anirudh Ramesh, dottorando presso la Northwestern che ha guidato le misurazioni quantistiche

Curiosamente, l’estrema sensibilità dei risonatori a microring è in realtà la base delle sorgenti di luce quantistica, il motivo per cui i flussi di luce quantistica possono essere generati in modo efficiente e in un’area minima del chip. Tuttavia, anche piccoli cambiamenti di temperatura possono influenzare significativamente il processo di generazione di coppie di fotoni. 

Per superare questo problema, i ricercatori hanno inserito un sistema di controllo in tempo reale direttamente sul chip. Hanno integrato fotodiodi all’interno di ogni risonatore in modo specifico, consentendo di monitorare le prestazioni, in particolare l’allineamento con il laser in ingresso, preservando la generazione di luce quantistica.

Nel frattempo, riscaldatori miniaturizzati e logica di controllo sul chip regolano costantemente la risonanza in risposta al drift. Così, anche se le condizioni variano, questo ciclo di retroazione integrato mantiene il processo di generazione di luce quantistica, facendo comportare il dispositivo in modo prevedibile.

L’auto‑regolazione consente a tutti i dodici risonatori di lavorare insieme in perfetta sincronia, senza necessità di apparecchiature di stabilizzazione ingombranti. Questo è un punto importante, poiché è un requisito chiave per scalare i sistemi quantistici. Secondo Imbert Wang, dottorando alla Boston University che ha guidato la progettazione del dispositivo fotonico:

“Una sfida chiave rispetto al nostro lavoro precedente è stata spingere la progettazione fotonica a soddisfare i requisiti esigenti dell’ottica quantistica rimanendo entro i rigidi vincoli di una piattaforma CMOS commerciale. Questo ha permesso la co‑progettazione dell’elettronica e dell’ottica quantistica come un sistema unificato.”

L’intero sistema è stato fabbricato su una piattaforma di chip CMOS commerciale a 45 nm sviluppata attraverso una collaborazione tra BU, UC Berkeley, GlobalFoundries (GFS ) e Ayar Labs. La startup Ayar Labs è coinvolta nella creazione di tecnologia per chip che utilizzano impulsi di luce e ha assicurato 155 milioni di dollari di finanziamento di venture da AMD Ventures, Intel Capital e Nvidia (NVDA ), con una valutazione di 1 miliardo di dollari, il che “prepara il terreno per la produzione di massa”.

Il processo di produzione consente interconnettori ottici avanzati per IA e supercomputing, e ora sistemi fotonici quantistici complessi su una piattaforma di silicio scalabile.

“Il nostro obiettivo era dimostrare che sistemi fotonici quantistici complessi possono essere costruiti e stabilizzati interamente all’interno di un chip CMOS. Ciò ha richiesto una stretta coordinazione tra domini che di solito non comunicano tra loro.”

– Daniel Kramnik, dottorando presso l’UC Berkeley che ha guidato la progettazione, il packaging e l’integrazione del chip

La dipendenza del chip dalle tecniche già in uso significa che non è necessario creare nuove configurazioni, aprendo così la strada al calcolo quantistico scalabile.

Investire nei Sistemi Quantistici 

Il mondo della tecnologia quantistica sta facendo rapidi progressi, avvicinandosi sempre più alla realtà con ogni anno che passa. Qui, International Business Machines (IBM ) è tra i leader del settore, in particolare nel calcolo quantistico. Recentemente, ricercatori di IBM® e della startup quantistica Pasqal hanno pubblicato un white paper², in cui hanno delineato la definizione di vantaggio quantistico, come le affermazioni possono essere validate scientificamente e i modi per raggiungerlo.

International Business Machines (IBM )

Questo mese, IBM Quantum ha collaborato con Moderna per modellare la struttura dell’mRNA usando la simulazione quantistica. Per questo, hanno utilizzato 80 qubit di un processore IBM Quantum Heron, che ha eseguito un algoritmo specializzato con l’obiettivo di “migliorare la salute umana”.

“Crediamo sia fondamentale esplorare ogni strumento disponibile, incluso il calcolo quantistico, per accelerare i nostri progressi oggi, piuttosto che attendere che la tecnologia maturi completamente in futuro.”

– Direttore scientifico associato di Moderna per algoritmi e applicazioni quantistiche, Alexey Galda

Il mese scorso, IBM ha anche fatto un grande annuncio che sta costruendo il primo computer quantistico su larga scala al mondo, che prevede di consegnare ai clienti nel 2029. 

Il computer quantistico tolerante agli errori chiamato IBM Starling sarà 20.000 volte più potente dei computer quantistici esistenti e “richiederebbe la memoria di più di un quindecillione dei supercomputer più potenti al mondo”.

Secondo la roadmap dell’azienda, l’arrivo di Starling seguirà diversi traguardi, inclusa la prima dimostrazione del ‘vantaggio quantistico’ l’anno prossimo, dove i computer quantistici inizieranno a superare i computer classici nelle applicazioni pratiche di calcolo.

Ma prima di ciò, IBM Quantum Loon sarà presentato più tardi quest’anno insieme al suo chip Nighthawk. E nel prossimo anno, IBM Quantum Kookaburra seguirà, presentando il primo processore modulare dell’azienda per memorizzare e processare informazioni codificate. Successivamente, IBM Quantum Cockatoo sarà lanciato l’anno successivo, la cui architettura “collegherà i chip quantistici insieme come nodi in un sistema più grande, evitando la necessità di costruire un chip impraticamente grande”.

Queste uscite porteranno infine al lancio di Starling prima della fine del decennio. Questa innovazione spera di eseguire “100 milioni di operazioni quantistiche usando 200 qubit logici”.

Con Starling, IBM mira a risolvere sfide del mondo reale, qualcosa che la tecnologia quantistica non ha ancora raggiunto. Secondo il suo CEO, Arvind Krishna, il loro computer quantistico “sbloccherà enormi possibilità per le imprese”.

Secondo la roadmap, gli obiettivi di calcolo quantistico di IBM vanno oltre Starling. Blue Jay sarà la seconda generazione di ISA di calcolo quantistico tollerante agli errori, che non dovrebbe arrivare prima del 2033. Entro allora, la piattaforma di calcolo potrebbe scalare fino a 1 miliardo di porte e 2.000 qubit logici.

Per quanto riguarda la performance di mercato di IBM, con una capitalizzazione di 262 miliardi di dollari, che è un fornitore di cloud ibrido globale, IA e consulenza, le sue azioni attualmente scambiano sopra i 265 $, con un aumento del 28,29% YTD. L’azienda paga un dividendo del 2,38%.

Più recentemente, l’azienda ha riportato i risultati del Q2 2025, che hanno mostrato un aumento dell’8% dei ricavi a 17 miliardi di dollari, 6,1 miliardi di dollari di liquidità netta dalle attività operative e un flusso di cassa libero di 4,8 miliardi di dollari.

“Abbiamo nuovamente superato le aspettative per ricavi, profitto e flusso di cassa libero nel trimestre. IBM rimane altamente differenziata sul mercato grazie alla nostra profonda innovazione e competenza di dominio, entrambe cruciali per aiutare i clienti a implementare e scalare l’IA. Il nostro portafoglio di AI generativa continua ad accelerare e ora supera i 7,5 miliardi di dollari.”

– CEO Krishna

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Conclusione

La tecnologia quantistica sta avanzando rapidamente, passando da un concetto a un’industria scalabile, guidata da scoperte come i chip ibridi quantistici‑elettronici‑fotonici. 

Integrando sorgenti di luce quantistica, elettronica di stabilizzazione e produzione scalabile in un unico chip, lo studio ha creato in modo ottimale un modello per il futuro quantistico. E man mano che i sistemi fotonici quantistici progrediscono, gli ultimi chip ibridi potrebbero diventare la base di tecnologie come il rilevamento avanzato, le reti di comunicazione sicure e il calcolo quantistico.

Con IBM che costruisce processori quantistici massivi, i tempi sono sicuramente entusiasmanti, con il prossimo decennio pronto a segnare il momento in cui il calcolo quantistico fornirà finalmente un impatto nel mondo reale.

Clicca qui per un elenco delle principali aziende di calcolo quantistico del 2025.

Riferimenti:

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. Stabilizzazione di Feedback Scalabile delle Sorgenti di Luce Quantistica su un Chip CMOS. Nature Electronics, 8, (2025). Pubblicato online 14 luglio 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. Un quadro per il vantaggio quantistico. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant‑ph] (2025). Pubblicato online 14 luglio 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658