Chip Fotonici Prodotti in Massa Potrebbero Sbloccare la Scalabilità Quantistica

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

Fortunatamente, questa situazione dovrebbe cambiare nei prossimi anni, poiché questo recente sviluppo utilizza i metodi tradizionali di fabbricazione CMOS per creare chip quantistici stabili, molto più piccoli e accessibili rispetto a qualsiasi cosa disponibile oggi. Ecco cosa c’è da sapere.

Quantum vs. Classical Computing: La differenza fotonica

A differenza dei computer tradizionali, i computer quantistici non utilizzano bit e chip tradizionali. Invece, si basano sulla sovrapposizione quantistica e sui qubit per eseguire i calcoli. Uno dei metodi più popolari per costruire computer quantistici ruota attorno all’utilizzo di modulatori fotonici ottici.

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

Il collo di bottiglia della scalabilità: Perché la produzione di massa è fallita

Esistono diversi problemi con i metodi di produzione attuali per i computer quantistici. Principalmente, non esiste una produzione di massa. Questi chip sono così sensibili e precisi che, nella maggior parte dei casi, devono essere costruiti in laboratorio su base individuale. Attualmente, il metodo di assemblaggio si basa sul fatto 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 precisa a più qubit. Di conseguenza, devono essere affidabili e resistenti al calore, soprattutto considerando che i futuri computer quantistici potrebbero utilizzare migliaia di qubit.

Limiti del fattore di forma

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

Inoltre, le generazioni future di computer quantistici utilizzeranno più qubit, il che significa che i computer quantistici più avanzati di oggi sono ancora solo una goccia nell’oceano rispetto a ciò che sarà disponibile al pubblico tra un decennio circa. 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 è un altro problema, poiché genera molto calore. Il calore è sempre stato problematico per i computer, indipendentemente dalla loro configurazione. Tuttavia, i computer quantistici dipendono dal mantenimento di uno stato quantistico fragile per eseguire i calcoli. È per questo che richiedono il raffreddamento criogenico. Di conseguenza, il calore può rendere questi dispositivi inoperativi.

Scoperta: Circuiti fotonici compatibili con CMOS

Lo studio “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit”, pubblicato¹ sulla rivista Nature Communications, introduce un approccio completamente nuovo per la produzione di chip quantistici ottici.

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

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

Modulatore di fase ottica

Il modulatore di fase ottica aggiornato può controllare la luce laser utilizzando frequenze a microonde. Le microonde eccitano la luce facendola vibrare miliardi di volte al secondo, consentendo una sintonizzazione precisa, oltre a una maggiore stabilità ed efficienza. In particolare, 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 di dimensione, gli ingegneri hanno deciso di creare il dispositivo su una wafer da 200 mm, successivamente tagliata 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 a frequenza gigahertz su un ingresso laser da 730 nm.

Ancora più impressionante è il fatto che si siano basati su tecniche standard di fabbricazione dei chip per creare i dispositivi, il che significa che potranno essere prodotti in serie in futuro, aprendo la porta a un maggiore accesso al calcolo quantistico.

Discutendo del loro approccio, gli ingegneri hanno affermato che la fabbricazione CMOS è il culmine della tecnologia scalabile e che impiegarla per creare chip quantistici è fondamentale per una maggiore adozione.

In particolare, gli ingegneri hanno discusso di come questa tecnologia abbia reso possibili molti dei vostri dispositivi high‑tech preferiti, inclusi smartphone, laptop e altri dispositivi di 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

Operazione a doppia modalità: Ottica ed elettromeccanica

È notevole che il modulatore di fase ottica possa operare in due modalità distinte. La prima è la modalità ottica di propagazione, che trasmette e guida le guide d’onda fotoniche nei circuiti. Questa strategia supporta la distribuzione dell’entanglement, il routing e la coerenza, rendendola cruciale per la maggior parte delle operazioni.

La seconda modalità è la risonanza meccanica a modalità di respirazione eccitabile elettricamente, che si basa su microonde applicate a nanostrutture, creando un’azione piezoelettrica. Queste microonde modificano le frequenze di oscillazione dei fotoni e i campi ottici. È importante notare che questa modalità supporta alte potenze ottiche, rendendola ideale per calcoli quantistici avanzati.

Benchmark di prestazione: Stabilità e efficienza

Gli ingegneri hanno condotto diversi test su uno spettroanalizzatore a radiofrequenza per valutare l’output del chip. Per svolgere questa operazione, il team ha montato il chip su un braccio dotato di una sorgente laser collegata a un interferometro in fibra.

L’altra estremità del dispositivo è stata collegata a uno shiftatore di frequenza acusto‑ottico (AOFS). Gli ingegneri hanno fatto passare la luce attraverso entrambe le estremità del dispositivo e poi l’hanno ricombinata usando un accoppiatore direzionale 50/50. Questo consente ai fotoni di essere diretti verso lo spettroanalizzatore, aumentando la precisione.

Il nuovo chip ha raggiunto una potenza ottica di 730 nm, superando l’obiettivo di 500 mW fissato dagli ingegneri. Inoltre, il team è riuscito a sintonizzare la geometria del dispositivo per migliorare ulteriormente l’interazione optomeccanica. Questo test ha rivelato profondità di modulazione fino a 4,85 rad utilizzando solo una microonde da 80 mW impostata a 2,31 GHz.

In modo impressionante, l’unità ha registrato la perdita di frequenza più bassa di qualsiasi chip fino ad oggi. In particolare, gli ingegneri hanno osservato che il nuovo chip era 15 volte più stabile e 100 volte più efficiente in termini di requisiti di potenza a microonde rispetto ai chip quantistici attualmente in uso.

Vantaggi chiave della fabbricazione CMOS

Ci sono molti vantaggi che i chip fotonici prodotti in massa porteranno sul mercato. Innanzitutto, possono essere fabbricati in grandi quantità, consentendo alla tecnologia di passare da un accesso esclusivo a un’opzione di calcolo popolare. Questo metodo di fabbricazione è più conveniente e permetterebbe 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 ad alta tecnologia e complessi. Questa capacità significa che gli ingegneri potranno creare e distribuire i loro futuri progetti di computer quantistici alle masse utilizzando metodi già esistenti.

Dimensioni ridotte

Uno dei maggiori vantaggi di questo layout è la sua piccola dimensione. Con un fattore di 100 volte più piccolo di un capello umano, questi chip sono in grado di supportare progetti di computer quantistici potenti. Queste unità integreranno migliaia di qubit come il chip Condor di IBM (IBM ), che gestisce 1.121 qubit ma ha un fattore di forma molto più grande a causa del laminato più grande.

Alte prestazioni

In modo impressionante, 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 l’attuale limite superiore per il calcolo quantistico di fascia alta. Inoltre, il nuovo design del chip supporta più potenza ottica e precisione consumando molto meno energia.

Più efficiente

La modulazione di fase utilizzata in questo approccio richiede molta meno potenza a microonde rispetto ai precedenti. In particolare, gli ingegneri hanno osservato che il loro dispositivo può eseguire operazioni quantistiche usando 80 volte meno energia. Di conseguenza, produce molto meno calore, consentendo di accoppiarlo con più chip per creare dispositivi più potenti.

Applicazioni reali: Sensori & Networking

Ci sono diverse applicazioni di questa tecnologia. L’uso più evidente sarà supportare la progettazione di futuri computer quantistici. Questi chip ad alte prestazioni sono sufficientemente piccoli da poter essere impacchettati strettamente e abbastanza efficienti dal punto di vista energetico da non creare problemi di surriscaldamento in questa configurazione.

Sensori quantistici

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

Rete quantistica

Un’altra applicazione chiave è il networking quantistico. Questa tecnologia sfrutta l’entanglement per comunicare dati a velocità di trasmissione elevate. In particolare, utilizza coppie di Bell quantistiche e la teletrasmissione per trasferire stati senza clonazione. L’obiettivo di questa tecnologia è creare un’infrastruttura per il futuro internet quantistico.

Percorso verso la commercializzazione: La roadmap di 7-10 anni

Ci vorranno circa 7-10 anni prima che questa tecnologia arrivi al pubblico. In modo cruciale, questa tecnica di produzione sarà un fattore trainante per spingere l’adozione delle tecnologie quantistiche, ma prima deve essere perfezionata. Tuttavia, una volta collaborato con il produttore giusto, la strategia a basso costo supporterà ulteriori integrazioni e adozioni.

Team di ricerca & finanziamento

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

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 si concentrerà sulla creazione di circuiti fotonici integrati in grado di superare le precedenti misure di prestazione. Il gruppo mira a migliorare la generazione di frequenza e le capacità di filtraggio del chip, insieme al suo approccio di modellazione degli impulsi, per ulteriori miglioramenti.

Inoltre, gli ingegneri cercheranno partner strategici per mettere in funzione il loro metodo di fabbricazione. Questo passo implica contattare i principali siti di fabbricazione CMOS e assicurarsi una parte del loro impianto per questo nuovo design di chip.

Azioni di calcolo quantistico da tenere d’occhio

Il settore del calcolo quantistico continua a espandersi, con la concorrenza in aumento ogni mese. I principali progettisti di computer quantistici, i produttori di chip e i programmatori di oggi continuano a spingere questa tecnologia verso nuovi traguardi, aprendo la porta a innovazioni nella potenza computazionale. Ecco un’azienda che rimane in prima linea in questa rivoluzione.

IonQ (IONQ): Un leader nei sistemi a ioni intrappolati

IonQ (IONQ ) è stata lanciata nel 2015 per far progredire la tecnologia quantistica. L’azienda è stata fondata da due esperti di calcolo quantistico, Christopher Monroe e il Dr. Jungsang Kim. È notevole che Monroe sia stato fondamentale negli studi quantistici ed è considerato un pioniere nel settore.

IonQ ha contribuito a innovare la tecnologia, inclusa la creazione del primo chip operativo a 5 ioni di itterbio che esegue l’algoritmo Deutsch-Jozsa. Ha anche lanciato il primo servizio commerciale QCaaS basato su ioni intrappolati. Questi sviluppi hanno aiutato l’azienda a garantire con successo 636 milioni di dollari.

Attualmente, l’azienda offre diversi prodotti quantistici di alto livello, incluso il loro sistema Aria da 32 qubit rack-mount. Inoltre, l’azienda ha assicurato partnership strategiche con AWS/Azure/Google Cloud e altri principali fornitori di cloud.

Chi cerca un fornitore di calcolo quantistico affidabile con anni di esperienza dovrebbe considerare di approfondire la ricerca su IonQ. L’azienda ha attualmente una capitalizzazione di mercato di 16,3 miliardi di dollari. È notevole che il suo titolo abbia mostrato una certa volatilità di recente, con un massimo di 84,64 $ e un minimo di 17,88 $.

Ultime notizie e performance azionarie di IonQ (IONQ)

Conclusione

L’importanza di sviluppare con successo un metodo per produrre in massa 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. Questo ultimo sviluppo ridurrà sicuramente i costi di creazione dei dispositivi quantistici, il che, a sua volta, dovrebbe garantire una fornitura stabile di chip al mercato in futuro.

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Riferimenti

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