Chip fotonici producibili in serie potrebbero sbloccare il ridimensionamento quantistico

Gli ingegneri dell'Università del Colorado a Boulder hanno appena individuato un passaggio chiave nell'adozione del calcolo quantistico: la scalabilità. L'estrema precisione richiesta per creare dispositivi quantistici non è riproducibile su larga scala, il che significa che i loro costi sono ancora fuori dalla portata della maggior parte delle persone.

Fortunatamente, questa situazione è destinata a cambiare nei prossimi anni, poiché questo recente sviluppo utilizza i tradizionali metodi di fabbricazione CMOS per creare chip quantistici stabili, molto più piccoli ed economici di qualsiasi altro prodotto disponibile oggi. Ecco cosa c'è da sapere.

Informatica quantistica vs. classica: la differenza fotonica

A differenza dei computer tradizionali, i computer quantistici non utilizzano bit e chip tradizionali. Si affidano invece alla sovrapposizione quantistica e ai qubit per risolvere i calcoli. Uno dei metodi più diffusi per costruire computer quantistici ruota attorno all'utilizzo di modulatori ottici fotonici.

Questi dispositivi consentono ai computer quantistici di sfruttare ioni intrappolati o atomi neutri come qubit. Questi chip consentono agli ingegneri di guidare un laser sintonizzabile sui qubit, che comunicano istruzioni operative per i calcoli tramite modulazioni di frequenza.

Il collo di bottiglia della scalabilità: perché la produzione di massa ha fallito

Gli attuali metodi di produzione dei computer quantistici presentano diversi problemi. Innanzitutto, non ce ne sono in termini di produzione di massa. Questi chip sono così sensibili e precisi che nella maggior parte dei casi devono essere costruiti in laboratorio, uno per uno. Attualmente, il metodo di assemblaggio prevede che gli ingegneri assemblano la maggior parte del dispositivo a mano.

Inoltre, questi dispositivi integrano fasci laser ad alta potenza per fornire capacità di sintonizzazione di precisione su più qubit. Pertanto, devono essere affidabili e resistenti al calore, soprattutto se si considera che i futuri computer quantistici potrebbero utilizzare migliaia di qubit.

Limiti del fattore di forma

Gli attuali chip quantistici sono troppo grandi per essere utilizzati nella maggior parte delle applicazioni. Richiedono raffreddamento criogenico, lunghi percorsi ottici e qubit distanziati. Questa configurazione contribuisce effettivamente a ridurre il rumore, ma li rende estremamente grandi rispetto ai chip per computer tradizionali.

Inoltre, le future generazioni di computer quantistici utilizzeranno più qubit, il che significa che i computer quantistici più avanzati oggi sono ancora solo una goccia nel mare rispetto a ciò che sarà disponibile al pubblico tra circa un decennio. Di conseguenza, questi dispositivi dovranno essere ridotti a un fattore di forma ragionevole prima di raggiungere un'adozione su larga scala.

Il calore distrugge lo stato quantistico

Tutta l'energia laser utilizzata per comunicare con i qubit rappresenta un ulteriore problema, poiché genera molto calore. Il calore è sempre stato un problema per i computer, indipendentemente dalla loro configurazione. Tuttavia, i computer quantistici si basano sul mantenimento di uno stato quantistico fragile per eseguire calcoli. Ecco perché richiedono un raffreddamento criogenico. Di conseguenza, il calore può rendere questi dispositivi inutilizzabili.

Svolta: circuiti fotonici compatibili con CMOS

Lo studio "Modulazione di fase acusto-ottica della luce visibile a frequenza gigahertz in un circuito fotonico fabbricato con tecnologia CMOS," pubblicato¹ sulla rivista Nature Communications, introduce un approccio completamente nuovo per la produzione di chip ottici quantistici.

Il nuovo processo è visto da molti come il primo passo verso la rivoluzione dei computer fotonici. Il dispositivo, 100 volte più sottile di un capello, integra tecnologie modulari per raggiungere un nuovo livello di efficienza e stabilità.

Questo modulatore di fase acusto-ottico a frequenza gigahertz appositamente progettato combina un trasduttore piezoelettrico e una guida d'onda fotonica, riducendo al minimo il fattore di forma e mantenendo al contempo la struttura della scala di lunghezza d'onda.

Modulatore di fase ottico

Il modulatore di fase ottico potenziato è in grado di controllare la luce laser utilizzando le frequenze delle microonde. Le microonde eccitano la luce e la fanno vibrare miliardi di volte al secondo, consentendo una regolazione precisa, oltre a una maggiore stabilità ed efficienza. Nello specifico, il modulatore acusto-ottico integra una guida d'onda fotonica montata su un trasduttore piezoelettrico.

La fabbricazione CMOS consente la produzione di massa

Per soddisfare i rigorosi requisiti dimensionali, gli ingegneri hanno deciso di creare il dispositivo su un wafer da 200 mm, che è stato poi tagliato in 120 chip diversi. Il processo ha utilizzato una piattaforma piezo-optomeccanica in nitruro di alluminio-SiNx, consentendo agli ingegneri di utilizzare la modulazione di fase per creare bande laterali di frequenza gigahertz su un ingresso laser da 730 nm.

Ancora più impressionante è il fatto che per realizzare i dispositivi si siano basati su tecniche standard di produzione di chip, il che significa che in futuro potranno essere prodotti in serie, aprendo la strada a un maggiore accesso all'informatica quantistica.

Nel discutere del loro approccio, gli ingegneri hanno parlato di come la fabbricazione di CMOS rappresenti l'apice della tecnologia scalabile e di come il suo impiego come mezzo per creare chip quantistici sia fondamentale per una sua ulteriore adozione.

Nello specifico, gli ingegneri hanno discusso di come questa tecnologia abbia reso possibili molti dei vostri dispositivi high-tech preferiti, inclusi smartphone, laptop e altri dispositivi da cui dipendete quotidianamente. Hanno spiegato come abbia contribuito a diffondere questa tecnologia e come farà lo stesso per i dispositivi quantistici del futuro.

Fonte - Nature Communications

Funzionamento a doppia modalità: ottica ed elettromeccanica

In particolare, il modulatore di fase ottico può funzionare in due modalità distinte. La prima è la modalità ottica propagante, che propaga e guida le guide d'onda fotoniche sui circuiti. Questa strategia supporta la distribuzione, l'instradamento e la coerenza dell'entanglement, rendendola cruciale per la maggior parte delle operazioni.

La seconda modalità è la risonanza meccanica in modalità respiratoria elettricamente eccitabile, che si basa sull'applicazione di microonde alle nanostrutture, creando un'attuazione piezoelettrica. Queste microonde alterano la velocità di oscillazione dei fotoni e i campi ottici. In particolare, questa modalità supporta elevate potenze ottiche, rendendola ideale per calcoli quantistici avanzati.

Benchmark delle prestazioni: stabilità ed efficienza

Gli ingegneri hanno condotto diversi test su un analizzatore di spettro a radiofrequenza per testare l'output del chip. Per portare a termine questo compito, il team ha montato il chip su un braccio dotato di una sorgente laser accoppiata a un interferometro a fibra ottica.

L'altra estremità del dispositivo era collegata a uno sfasatore di frequenza acusto-ottico (AOFS). Gli ingegneri hanno fatto passare la luce attraverso entrambe le estremità del dispositivo e poi l'hanno ricombinata utilizzando un accoppiatore direzionale 50/50. Ciò consente di indirizzare i fotoni verso l'analizzatore di spettro, aumentandone la precisione.

Il nuovo chip ha raggiunto una potenza ottica nominale di 730 nm, superando l'obiettivo di 500 mW prefissato dagli ingegneri. Inoltre, il team è stato in grado di ottimizzare la geometria del dispositivo per migliorare ulteriormente l'interazione optomeccanica. Questo test ha rivelato profondità di modulazione che raggiungono i 4.85 rad utilizzando solo un microonde da 80 mW impostato a 2.31 GHz.

Sorprendentemente, l'unità ha registrato la più bassa perdita di frequenza tra tutti i chip finora realizzati. In particolare, gli ingegneri hanno notato che il nuovo chip era 15 volte più stabile e 100 volte più efficiente in termini di requisiti di potenza a microonde rispetto agli attuali chip quantistici in uso.

Principali vantaggi della fabbricazione CMOS

Sono molti i vantaggi che i chip fotonici prodotti in serie porteranno al mercato. Innanzitutto, possono essere fabbricati in grandi quantità, consentendo alla tecnologia di passare dall'essere un accesso esclusivo a un'opzione di calcolo diffusa. Questo metodo di fabbricazione è più conveniente e consentirebbe agli ingegneri di creare computer quantistici relativamente piccoli che integrano migliaia di qubit.

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Questo metodo di fabbricazione è in grado, per la prima volta, di creare versioni identiche di questi dispositivi altamente tecnologici e complessi. Questa capacità significa che gli ingegneri saranno in grado di creare e distribuire al grande pubblico i loro futuri progetti di computer quantistici utilizzando metodi già esistenti.

Dimensioni ridotte

Uno dei maggiori vantaggi di questo layout sono le sue dimensioni ridotte. Cento volte più piccoli di un capello umano, questi chip sono in grado di supportare potenti progetti di computer quantistici. Queste unità integreranno migliaia di qubit, come quelli di IBM. (IBM )Chip Condor, che gestisce 1,121 qubit ma ha un fattore di forma molto più grande grazie al laminato più grande.

Alte prestazioni

Sorprendentemente, questi chip potrebbero fornire una potenza di calcolo pari a quella delle macchine più avanzate di oggi. Possono supportare oltre 500 mW di potenza ottica, che rappresenta attualmente il limite massimo per il calcolo quantistico di fascia alta. Inoltre, il nuovo design del chip supporta maggiore potenza ottica e precisione, consumando molta meno energia.

Più efficiente

La modulazione di fase utilizzata in questo approccio richiede una potenza a microonde molto inferiore rispetto ai predecessori. In particolare, gli ingegneri hanno notato che il loro dispositivo può eseguire azioni quantistiche utilizzando un'energia 80 volte inferiore. Di conseguenza, produce molto meno calore, consentendone l'accoppiamento con più chip per creare dispositivi più potenti.

Applicazioni nel mondo reale: rilevamento e networking

Questa tecnologia ha diverse applicazioni. L'uso più ovvio sarà il supporto alla progettazione dei futuri computer quantistici. Questi chip ad alte prestazioni sono sufficientemente piccoli da poter essere assemblati in modo compatto e sufficientemente efficienti dal punto di vista energetico da non creare problemi di surriscaldamento in questa configurazione.

Sensibilità quantistica

I sensori quantistici offrono una precisione molto maggiore rispetto ai sensori tradizionali. Svolgono questo compito attraverso l'uso di sovrapposizione, entanglement e squeezing. Queste azioni consentono al dispositivo di misurare con precisione le variazioni di campi magnetici, gravità, tempo, temperatura e altro ancora. Questi chip potrebbero contribuire a rendere questi sensori più accessibili.

Reti quantistiche

Un'altra applicazione chiave è il networking quantistico. Questa tecnologia sfrutta l'entanglement per comunicare dati ad alta velocità. Nello specifico, utilizza coppie di Bell quantistiche e il teletrasporto per trasferire stati senza clonazione. L'obiettivo di questa tecnologia è creare un giorno un'infrastruttura per l'Internet quantistica.

Percorso verso la commercializzazione: la tabella di marcia da 7 a 10 anni

Ci vorranno circa 7-10 anni prima che questa tecnologia raggiunga il pubblico. Fondamentalmente, questa tecnica di produzione sarà un fattore trainante per l'adozione delle tecnologie quantistiche, ma prima deve essere perfezionata. Tuttavia, una volta trovata la giusta partnership con il produttore giusto, la strategia a basso costo ne supporterà l'ulteriore integrazione e adozione.

Team di ricerca e finanziamenti

L'Università del Colorado a Boulder ha ospitato lo studio sui chip fotonici con la partecipazione dei Sandia National Laboratories. In particolare, hanno contribuito a questo lavoro Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer e Sebastian Magri.

Lo studio ha ricevuto supporto finanziario e materiale dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso il programma Quantum Systems Accelerator, ospitato dal National Quantum Initiative Science Research Center.

Obiettivi di ricerca futuri

Ora il team punterà alla creazione di circuiti fotonici integrati in grado di superare i parametri prestazionali del passato. Il gruppo punta a migliorare le capacità di generazione e filtraggio della frequenza dei chip, insieme al suo approccio di modulazione degli impulsi, per ottenere prestazioni ancora più elevate.

Inoltre, gli ingegneri troveranno partner strategici che li aiutino a mettere in pratica il loro metodo di fabbricazione. Questo passaggio significa contattare i principali siti di fabbricazione CMOS e assicurarsi una parte dei loro impianti per questo nuovo progetto di chip.

I migliori titoli del settore del calcolo quantistico da tenere d'occhio

Il settore dell'informatica quantistica continua a espandersi, con una concorrenza che aumenta ogni mese. I principali progettisti, produttori di chip e programmatori di computer quantistici continuano a spingere questa tecnologia verso nuovi traguardi, aprendo la strada a innovazioni nella potenza di calcolo. Ecco un'azienda che rimane all'avanguardia in questa rivoluzione.

IonQ (IONQ): leader nei sistemi a ioni intrappolati

IonQ (IONQ ) Lanciata nel 2015 per promuovere la tecnologia quantistica, l'azienda è stata fondata da due esperti di informatica quantistica, Christopher Monroe e il Dott. Jungsang Kim. In particolare, Monroe ha avuto un ruolo fondamentale negli studi quantistici ed è considerato un pioniere del settore.

IonQ ha contribuito a innovare la tecnologia, creando ad esempio il primo chip operativo a 5 ioni di itterbio che esegue l'algoritmo Deutsch-Jozsa. Ha inoltre lanciato il primo QCaaS commerciale a ioni intrappolati. Questi sviluppi hanno aiutato l'azienda a ottenere con successo 636 milioni di dollari.

Attualmente, l'azienda offre diversi prodotti quantistici di alto livello, tra cui il sistema di montaggio su rack Aria a 32 qubit. Inoltre, ha stretto partnership strategiche con AWS/Azure/Google Cloud e altri importanti provider cloud.

Chi è alla ricerca di un fornitore di calcolo quantistico affidabile e con anni di esperienza dovrebbe prendere in considerazione l'idea di approfondire la conoscenza di IonQ. L'azienda ha attualmente una capitalizzazione di mercato di 16.3 miliardi di dollari. In particolare, il suo titolo ha registrato una certa volatilità di recente, con un massimo di 84.64 dollari e un minimo di 17.88 dollari.

Ultime notizie e performance delle azioni IonQ (IONQ)

Conclusione

L'importanza di sviluppare con successo un metodo per produrre in serie chip fotonici non può essere sottovalutata. Questa tecnologia è al centro dell'espansione del calcolo quantistico e dovrà essere perfezionata prima che diventi accessibile al pubblico. Quest'ultimo sviluppo ridurrà sicuramente i costi di produzione dei dispositivi quantistici, il che, a sua volta, dovrebbe garantire una fornitura stabile di chip al mercato in futuro.

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Referenze

^{1. Freedman, JM, Storey, MJ, Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, NT, & Eichenfield, M. (2025). Modulazione di fase acusto-ottica a frequenza gigahertz della luce visibile in un circuito fotonico realizzato con tecnologia CMOS. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}