Massaal produceerbare fotonische chips zouden kwantumschaling mogelijk kunnen maken.

Ingenieurs van de Universiteit van Colorado in Boulder hebben een cruciale stap gezet in de acceptatie van kwantumcomputers: schaalbaarheid. De extreme precisie die nodig is om kwantumapparaten te maken, is tot nu toe niet op grote schaal reproduceerbaar gebleken, waardoor de kosten ervan nog steeds buiten het bereik van de meeste mensen liggen.

Gelukkig zal deze situatie de komende jaren veranderen, aangezien deze recente ontwikkeling gebruikmaakt van traditionele CMOS-fabricagemethoden om stabiele kwantumchips te creëren die veel kleiner en betaalbaarder zijn dan alles wat momenteel beschikbaar is. Dit is wat u moet weten.

Kwantumcomputers versus klassieke computers: het fotonische verschil

In tegenstelling tot traditionele computers maken kwantumcomputers geen gebruik van bits en traditionele chips. In plaats daarvan vertrouwen ze op kwantumsuperpositie en qubits om berekeningen uit te voeren. Een van de meest populaire manieren om kwantumcomputers te bouwen, is door gebruik te maken van optische fotonische modulatoren.

Deze apparaten stellen kwantumcomputers in staat om opgesloten ionen of neutrale atomen als qubits te gebruiken. Met deze chips kunnen ingenieurs een afstembaar laserlicht op de qubits richten, die via frequentiemodulaties instructies voor berekeningen doorgeven.

Het knelpunt van schaalbaarheid: waarom massaproductie mislukte

Er zijn verschillende problemen met de huidige productiemethoden voor kwantumcomputers. Vooral wat betreft massaproductie is er geen sprake van massaproductie. Deze chips zijn zo gevoelig en nauwkeurig dat ze in de meeste gevallen individueel in een laboratorium moeten worden gebouwd. Momenteel is de assemblage gebaseerd op het handmatig in elkaar zetten van het grootste deel van het apparaat door ingenieurs.

Daarnaast integreren deze apparaten krachtige laserstralen om nauwkeurige afstemming van meerdere qubits mogelijk te maken. Daarom moeten ze betrouwbaar en hittebestendig zijn, zeker gezien het feit dat toekomstige kwantumcomputers duizenden qubits zouden kunnen gebruiken.

Beperkingen qua vormfactor

De huidige kwantumchips zijn te groot voor de meeste toepassingen. Ze vereisen cryogene koeling, lange optische paden en een ontwerp met verspreide qubits. Deze opstelling helpt weliswaar om ruis te verminderen, maar maakt ze extreem groot in vergelijking met traditionele computerchips.

Bovendien zullen toekomstige generaties kwantumcomputers meer qubits gebruiken, wat betekent dat de meest geavanceerde kwantumcomputers van vandaag nog maar een fractie zijn van wat er over een decennium of zo publiekelijk beschikbaar zal zijn. Bijgevolg zullen deze apparaten tot een redelijk formaat moeten worden verkleind voordat ze op grote schaal kunnen worden toegepast.

Hitte vernietigt de kwantumtoestand.

De laserenergie die nodig is om met de qubits te communiceren, vormt een ander probleem, omdat dit veel warmte genereert. Warmte is altijd al een probleem geweest voor computers, ongeacht hun configuratie. Kwantumcomputers zijn echter afhankelijk van het handhaven van een fragiele kwantumtoestand om berekeningen uit te voeren. Daarom vereisen ze cryogene koeling. Bijgevolg kan warmte deze apparaten onbruikbaar maken.

Doorbraak: CMOS-compatibele fotonische schakelingen

De studie "Gigahertz-frequentie akoestisch-optische fasemodulatie van zichtbaar licht in een CMOS-gefabriceerd fotonisch circuit.gepubliceerd¹ In het tijdschrift Nature Communications wordt een geheel nieuwe aanpak geïntroduceerd voor de productie van optische kwantumchips.

Het nieuwe proces wordt door velen gezien als de eerste stap naar de fotonische computerrevolutie. Het apparaat, dat 100 keer dunner is dan een haar, integreert modulaire technologieën om een ​​nieuw niveau van efficiëntie en stabiliteit te creëren.

Deze speciaal ontwikkelde akoestisch-optische fasemodulator voor gigahertzfrequenties combineert een piëzo-elektrische transducer en een fotonische golfgeleider, waardoor de afmetingen tot een minimum worden beperkt terwijl de structuur op golflengteschaal behouden blijft.

Optische fasemodulator

De verbeterde optische fasemodulator kan laserlicht regelen met behulp van microgolffrequenties. De microgolven zorgen ervoor dat het licht geëxciteerd raakt en miljarden keren per seconde trilt, waardoor nauwkeurige afstemming mogelijk is, samen met extra stabiliteit en efficiëntie. Concreet integreert de akoestisch-optische modulator een fotonische golfgeleider die is gemonteerd op een piëzo-elektrische transducer.

CMOS-fabricage maakt massaproductie mogelijk

Om aan de strenge afmetingseisen te voldoen, besloten de ingenieurs het apparaat te bouwen op een wafer van 200 mm, die vervolgens in 120 verschillende chips werd gesneden. Het proces maakte gebruik van een piëzo-optomechanisch aluminiumnitride-SiNx-platform, waardoor de ingenieurs fasemodulatie konden toepassen om gigahertz-frequentiezijbanden te creëren op een 730 nm laserinput.

Nog indrukwekkender is dat ze gebruik hebben gemaakt van standaard chipfabricagetechnieken om de apparaten te maken, wat betekent dat ze in de toekomst massaal geproduceerd kunnen worden, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor meer toegang tot kwantumcomputers.

Tijdens de bespreking van hun aanpak benadrukten de ingenieurs dat CMOS-fabricage het summum is van schaalbare technologie en dat het gebruik ervan voor de creatie van kwantumchips cruciaal is voor verdere acceptatie.

De ingenieurs bespraken met name hoe deze technologie veel van uw favoriete hightech apparaten mogelijk heeft gemaakt, waaronder smartphones, laptops en andere apparaten die u dagelijks gebruikt. Ze legden uit hoe het heeft bijgedragen aan de verspreiding van deze technologie en hoe het hetzelfde zal doen voor kwantumgestuurde apparaten van de toekomst.

Bron - Nature Communications

Dual-mode werking: optisch en elektromechanisch

Het is belangrijk op te merken dat de optische fasemodulator in twee verschillende modi kan werken. De eerste is de voortplantende optische modus, die fotonische golfgeleiders op circuits voortplant en geleidt. Deze strategie ondersteunt de distributie van verstrengeling, routering en coherentie, waardoor het cruciaal is voor de meeste bewerkingen.

De tweede modus is elektrisch opwekbare mechanische resonantie in ademhalingsmodus, die gebruikmaakt van microgolven die op nanostructuren worden toegepast om piëzo-elektrische actuatie te creëren. Deze microgolven veranderen de oscillatiesnelheid van fotonen en optische velden. Deze modus ondersteunt met name hoge optische vermogens, waardoor hij ideaal is voor geavanceerde kwantumcomputaties.

Prestatiebenchmarks: Stabiliteit en efficiëntie

De ingenieurs voerden verschillende tests uit met een radiofrequentiespectrumanalysator om de output van de chip te testen. Om dit te bereiken, monteerde het team de chip op een arm met een laserbron die gekoppeld was aan een vezelinterferometer.

Het andere uiteinde van het apparaat was verbonden met een akoestisch-optische frequentieverschuiver (AOFS). De ingenieurs lieten licht door beide uiteinden van het apparaat gaan en combineerden het vervolgens met behulp van een 50/50 richtingskoppelaar. Hierdoor kunnen de fotonen naar de spectrumanalysator worden gericht, wat de nauwkeurigheid verhoogt.

De nieuwe chip behaalde een optisch vermogen van 730 nm, waarmee de door de ingenieurs gestelde doelstelling van 500 mW werd overtroffen. Bovendien slaagde het team erin de geometrie van het apparaat aan te passen om de optomechanische interactie verder te verbeteren. Deze test onthulde modulatiedieptes tot 4.85 rad met slechts een microgolf van 80 mW ingesteld op 2.31 GHz.

Indrukwekkend genoeg registreerde de chip het laagste frequentieverlies van alle chips tot nu toe. De ingenieurs merkten specifiek op dat de nieuwe chip 15 keer stabieler en 100 keer efficiënter was wat betreft het benodigde microgolfvermogen dan de huidige kwantumchips.

Belangrijkste voordelen van CMOS-fabricage

Er zijn veel voordelen verbonden aan de massaproductie van fotonische chips. Ten eerste kunnen ze in enorme aantallen worden gefabriceerd, waardoor de technologie van een exclusieve optie voor computergebruik een populaire keuze wordt. Deze fabricagemethode is betaalbaarder en stelt ingenieurs in staat relatief kleine kwantumcomputers te ontwikkelen die duizenden qubits integreren.

Veeg om te scrollen →

Deze fabricagemethode maakt het voor het eerst mogelijk om identieke versies van deze geavanceerde, complexe apparaten te creëren. Dit betekent dat ingenieurs hun toekomstige kwantumcomputerontwerpen kunnen maken en verspreiden onder een breed publiek met behulp van reeds bestaande methoden.

Kleine maat

Een van de grootste voordelen van deze lay-out is het kleine formaat. Met een afmeting die 100 keer kleiner is dan een menselijke haar, zijn deze chips in staat krachtige kwantumcomputerontwerpen te ondersteunen. Deze eenheden zullen duizenden qubits integreren, zoals die van IBM. (IBM -3.43%)De Condor-chip verwerkt 1,121 qubits, maar heeft een veel groter formaat vanwege het grotere laminaat.

high performance

Indrukwekkend genoeg kunnen deze chips rekenkracht leveren die vergelijkbaar is met die van de meest geavanceerde machines van vandaag. Ze kunnen meer dan 500 mW optisch vermogen ondersteunen, wat momenteel de bovengrens is voor hoogwaardige kwantumcomputers. Bovendien ondersteunt het nieuwe chipontwerp meer optisch vermogen en precisie met een aanzienlijk lager energieverbruik.

Efficiënter

De fasemodulatie die in deze aanpak wordt gebruikt, vereist aanzienlijk minder microgolfvermogen dan eerdere methoden. De ingenieurs merkten specifiek op dat hun apparaat kwantumacties kan uitvoeren met 80 keer minder energie. Daardoor produceert het veel minder warmte, waardoor het gekoppeld kan worden aan meer chips om krachtigere apparaten te creëren.

Praktische toepassingen: sensoren en netwerken

Deze technologie kent diverse toepassingen. Een voor de hand liggende toepassing is de ondersteuning van het ontwerp van toekomstige kwantumcomputers. Deze krachtige chips zijn klein genoeg om compact te worden verpakt en energiezuinig genoeg om oververhitting in deze configuratie te voorkomen.

Kwantumdetectie

Kwantumsensoren bieden een veel grotere nauwkeurigheid in vergelijking met traditionele sensoren. Ze bereiken dit door gebruik te maken van superpositie, verstrengeling en squeezing. Deze processen stellen het apparaat in staat om veranderingen in magnetische velden, zwaartekracht, tijd, temperatuur en meer nauwkeurig te meten. Deze chips zouden kunnen bijdragen aan de betaalbaarheid van deze sensoren.

Kwantumnetwerken

Een andere belangrijke toepassing is kwantumnetwerken. Deze technologie maakt gebruik van verstrengeling om gegevens met hoge transmissiesnelheden te verzenden. Concreet gebruikt het kwantum-Bell-paren en teleportatie om toestanden over te dragen zonder te klonen. Het doel van deze technologie is om op termijn een infrastructuur voor het kwantuminternet te creëren.

De weg naar commercialisering: het stappenplan voor 7-10 jaar

Het zal naar verwachting nog zo'n 7 tot 10 jaar duren voordat deze technologie voor het grote publiek beschikbaar komt. Deze productietechniek zal een cruciale rol spelen in de verdere ontwikkeling van kwantumtechnologieën, maar moet eerst nog geperfectioneerd worden. Eenmaal in samenwerking met de juiste fabrikant zal de kosteneffectiviteit echter verdere integratie en acceptatie bevorderen.

Onderzoeksteam en financiering

De Universiteit van Colorado in Boulder organiseerde het onderzoek naar fotonische chips, met medewerking van Sandia National Laboratories. Specifiek hebben Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer en Sebastian Magri bijgedragen aan dit werk.

Het onderzoek ontving financiële en materiële steun van het Amerikaanse ministerie van Energie via het Quantum Systems Accelerator-programma, dat wordt beheerd door het National Quantum Initiative Science Research Center.

Toekomstige onderzoeksdoelen

Het team richt zich nu op het creëren van geïntegreerde fotonische circuits die de prestaties uit het verleden overtreffen. De groep streeft ernaar de mogelijkheden van de chip voor frequentiegeneratie en filtering te verbeteren, evenals de pulsvormingstechniek, om de prestaties verder te optimaliseren.

Daarnaast zullen de ingenieurs strategische partners zoeken om hun fabricagemethode in de praktijk te brengen. Deze stap houdt in dat ze contact opnemen met de toonaangevende CMOS-productielocaties en een deel van hun fabriek reserveren voor dit nieuwe chipontwerp.

Topaandeel in kwantumcomputing om in de gaten te houden

De kwantumcomputersector blijft groeien en de concurrentie neemt maandelijks toe. Toonaangevende ontwerpers van kwantumcomputers, chipfabrikanten en programmeurs blijven deze technologie naar nieuwe hoogten tillen en openen de weg voor innovaties in rekenkracht. Hier is een bedrijf dat aan de voorfront van deze revolutie blijft staan.

IonQ (IONQ): Een leider in systemen voor het opsluiten van ionen.

IonQ (IONQ -2.19%) Het bedrijf werd in 2015 opgericht om de kwantumtechnologie vooruit te helpen. Het werd opgericht door twee experts op het gebied van kwantumcomputing, Christopher Monroe en Dr. Jungsang Kim. Monroe heeft een cruciale rol gespeeld in kwantumonderzoek en wordt beschouwd als een pionier in de sector.

IonQ heeft bijgedragen aan de innovatie van de technologie, onder meer door de eerste operationele chip met 5 ytterbiumionen te ontwikkelen die het Deutsch-Jozsa-algoritme gebruikt. Het bedrijf lanceerde ook de eerste commerciële QCaaS-oplossing (Quantum Cavity as a Service) met opgesloten ionen. Deze ontwikkelingen hielpen het bedrijf om met succes $636 miljoen aan financiering binnen te halen.

Het bedrijf biedt momenteel diverse hoogwaardige kwantumproducten aan, waaronder hun Aria 32-qubit rackmount-systeem. Daarnaast heeft het bedrijf strategische partnerschappen gesloten met AWS/Azure/Google Cloud en andere toonaangevende cloudproviders.

Wie op zoek is naar een gerenommeerde aanbieder van kwantumcomputers met jarenlange ervaring, zou zich eens moeten verdiepen in IonQ. Het bedrijf heeft momenteel een marktwaarde van $16.3 miljard. Opvallend is dat de aandelenkoers de afgelopen tijd enige volatiliteit heeft vertoond, met een hoogtepunt van $84.64 en een dieptepunt van $17.88.

Het laatste nieuws en de prestaties van het IonQ (IONQ) aandeel.

Conclusie

Het belang van het succesvol ontwikkelen van een methode voor de massaproductie van fotonische chips kan niet worden onderschat. Deze technologie vormt de kern van de expansie van kwantumcomputers en moet worden geperfectioneerd voordat deze technologie voor het grote publiek toegankelijk wordt. Deze nieuwste ontwikkeling zal de productiekosten van kwantumapparaten zeker verlagen, wat op zijn beurt een stabiele aanvoer van chips naar de markt in de toekomst moet garanderen.

Ontdek andere coole technologische doorbraken in de computerwereld. Hier.

Referenties

^{1. Freedman, JM, Storey, MJ, Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, NT, & Eichenfield, M. (2025). Gigahertz-frequentie akoestisch-optische fasemodulatie van zichtbaar licht in een CMOS-gefabriceerd fotonisch circuit. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}