Massaproducteerbare fotonische chips kunnen kwantumschaalvergroting ontgrendelen

Ingenieurs van de Universiteit van Colorado in Boulder hebben zojuist een cruciale stap in de adoptie van kwantumcomputing ontdekt – schaalbaarheid. De extreme precisie die nodig is om kwantumapparaten te maken, is niet op grote schaal reproduceerbaar gebleken, waardoor de kosten nog steeds buiten het bereik van de meeste mensen liggen.

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

Kwantum versus klassieke computing: Het fotonische verschil

In tegenstelling tot traditionele computers gebruiken kwantumcomputers geen bits en traditionele chips. In plaats daarvan vertrouwen ze op kwantumsuperpositie en qubits om berekeningen uit te voeren. Een van de populairste manieren om kwantumcomputers te bouwen draait om het gebruik van optische fotonische modulators.

Deze apparaten stellen kwantumcomputers in staat om gevangen ionen of neutrale atomen als qubits te benutten. Deze chips stellen ingenieurs in staat een afstelbare laser op de qubits te richten, die operationele instructies voor berekeningen communiceren via frequentiemodulaties.

De schaalbaarheidsknooppunt: Waarom massaproductie mislukte

Er zijn verschillende problemen met de huidige productiemethoden voor kwantumcomputers. In de eerste plaats zijn er geen methoden voor massaproductie. Deze chips zijn zo gevoelig en precies dat ze in de meeste gevallen individueel in een laboratorium moeten worden gebouwd. Momenteel vertrouwt de assemblagemethode op ingenieurs die het grootste deel van het apparaat met de hand in elkaar zetten.

Bovendien integreren deze apparaten krachtige laserstralen om precieze afstemmingsmogelijkheden voor meerdere qubits te bieden. Daarom moeten ze betrouwbaar en hittebestendig zijn, vooral als men bedenkt dat toekomstige kwantumcomputers duizenden qubits zouden kunnen gebruiken.

Beperkingen van de vormfactor

Huidige kwantumchips zijn te groot om in de meeste toepassingen te worden gebruikt. Ze vereisen cryogene koeling, lange optische paden en verspreide qubit-ontwerpen. Deze opstelling helpt inderdaad 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 druppel in de oceaan zijn vergeleken met wat over een decennium of zo publiekelijk beschikbaar zal zijn. Daarom moeten deze apparaten worden verkleind tot een redelijk formaat voordat ze grootschalige adoptie bereiken.

Hitte vernietigt de kwantumtoestand

Alle laserenergie die wordt gebruikt om met de qubits te communiceren, vormt een ander probleem, omdat het veel warmte genereert. Warmte is altijd problematisch geweest voor computers, ongeacht hun opstelling. Kwantumcomputers echter moeten een fragiele kwantumtoestand behouden om berekeningen uit te voeren. Daarom hebben ze cryogene koeling nodig. Als gevolg daarvan kan warmte deze apparaten onbruikbaar maken.

Doorbraak: CMOS-compatibele fotonische circuits

De studie “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit,” gepubliceerd¹ in het tijdschrift Nature Communications, introduceert een geheel nieuwe benadering voor het produceren 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 haarlok, integreert modulaire technologieën om een nieuw niveau van efficiëntie en stabiliteit te creëren.

Deze speciaal gebouwde gigahertz-frequentie acousto-optische fase-modulator combineert een piëzo-elektrische transducer en een fotonische golfgeleider, waardoor de vormfactor wordt geminimaliseerd terwijl de structuur op golflengteschaal behouden blijft.

Optische fase-modulator

De geüpgradede optische fase-modulator kan laserlicht regelen met behulp van microgolffrequenties. De microgolven zorgen ervoor dat het licht wordt geëxciteerd en miljarden keren per seconde trilt, waardoor precieze afstemming mogelijk is, naast extra stabiliteit en efficiëntie. Specifiek integreert de acousto-optische modulator een fotonische golfgeleider gemonteerd op een piëzo-elektrische transducer.

CMOS-fabricage maakt massaproductie mogelijk

Om te voldoen aan de strenge afmetingen, besloten de ingenieurs het apparaat te maken op een 200 mm wafer die vervolgens in 120 verschillende chips werd gesneden. Het proces gebruikte een piëzo-optomechanisch aluminium nitriet-SiNx platform, waardoor ingenieurs fase-modulatie konden gebruiken om gigahertz-frequentie zijbanden te creëren op een 730 nm laserinvoer.

Nog indrukwekkender is dat ze vertrouwden op standaard chipproductietechnieken om de apparaten te maken, wat betekent dat ze in de toekomst massaal kunnen worden geproduceerd, waardoor de deur wordt geopend voor meer toegang tot kwantumcomputing.

Bij het bespreken van hun aanpak spraken de ingenieurs over hoe CMOS-fabricage het toppunt is van schaalbare technologie en hoe het inzetten hiervan als middel om kwantumchips te creëren cruciaal is voor verdere adoptie.

Specifiek bespraken de ingenieurs hoe deze technologie veel van uw favoriete hightech-apparaten mogelijk heeft gemaakt, waaronder smartphones, laptops en andere apparaten waar u dagelijks op vertrouwt. Ze legden uit hoe het heeft bijgedragen aan de verspreiding van deze technologie en hoe het hetzelfde zal doen voor kwantum-aangedreven apparaten van de toekomst.

Bron – Nature Communications

Dual-modus werking: Optisch en elektromechanisch

Opmerkelijk kan de optische fase-modulator in twee verschillende modi werken. De eerste is de voortplantende optische modus, die fotonische golfgeleiders op circuits voortplant en geleidt. Deze strategie ondersteunt entanglementdistributie, routing en coherentie, waardoor het cruciaal is voor de meeste operaties.

De tweede modus is een elektrisch exciteerbare ademhalingsmodus mechanische resonantie, die afhankelijk is van microgolven die op nanostructuren worden toegepast, waardoor piëzo-elektrische actuatie ontstaat. Deze microgolven wijzigen de oscillatiefrequenties van fotonen en optische velden. Opmerkelijk ondersteunt deze modus hoge optische vermogens, waardoor het ideaal is voor geavanceerde kwantumcomputaties.

Prestatiebenchmarks: Stabiliteit & efficiëntie

De ingenieurs voerden verschillende tests uit met een radiofrequentiespectrum-analyzer om de output van de chip te testen. Om deze taak uit te voeren, monteerde het team de chip op een arm die een laserbron gekoppeld aan een vezelinterferometer had.

Het andere uiteinde van het apparaat was verbonden met een acousto-optische frequentieverschuiver (AOFS). De ingenieurs lieten licht door beide uiteinden van het apparaat gaan en combineerden het vervolgens met een 50/50 richtingskoppelaar. Dit maakt het mogelijk de fotonen naar de spectrum-analyzer te sturen, waardoor de nauwkeurigheid toeneemt.

De nieuwe chip behaalde een optisch vermogensniveau van 730 nm, wat de door ingenieurs gestelde doelstelling van 500 mW overtreft. Bovendien kon het team de geometrie van het apparaat afstemmen om de optomechanische interactie verder te verbeteren. Deze test onthulde modulatie‑dieptes tot 4,85 rad met slechts een 80 mW microgolfbron ingesteld op 2,31 GHz.

Indrukwekkend registreerde de eenheid het laagste frequentieverlies van alle chips tot nu toe. Specifiek merkten de ingenieurs op dat de nieuwe chip 15 x stabieler en 100 x efficiënter was wat betreft de vereiste microgolfenergie vergeleken met de huidige gebruikte kwantumchips.

Belangrijkste voordelen van CMOS-fabricage

Er zijn veel voordelen die massaal geproduceerde fotonische chips op de markt zullen brengen. Ten eerste kunnen ze in enorme aantallen worden gefabriceerd, waardoor de technologie van exclusieve toegang naar een populaire computeroptie kan gaan. Deze fabricagemethode is betaalbaarder en zou ingenieurs in staat stellen relatief kleine kwantumcomputers te creëren die duizenden qubits integreren.

Vegen om te scrollen →

Deze fabricagemethode maakt het voor het eerst mogelijk identieke versies van deze hightech, complexe apparaten te creëren. Deze mogelijkheid betekent dat ingenieurs hun toekomstige kwantumcomputerontwerpen aan de massa kunnen leveren met behulp van reeds bestaande methoden.

Kleine afmeting

Een van de grootste voordelen van deze opzet is de kleine afmeting. Met een grootte die 100 x kleiner is dan een menselijk haar, kunnen deze chips krachtige kwantumcomputerontwerpen ondersteunen. Deze eenheden zullen duizenden qubits integreren, zoals de (IBM )Condor-chip van IBM, die 1.121 qubits verwerkt maar een veel groter formaat heeft vanwege de grotere laminaat.

Hoge prestaties

Indrukwekkend kunnen deze chips rekenkracht leveren die gelijk is aan die van de meest geavanceerde machines van vandaag. Ze kunnen meer dan 500 mW optisch vermogen ondersteunen, wat momenteel het hoogste bereik is voor high‑end kwantumcomputing. Bovendien ondersteunt het nieuwe chipontwerp meer optisch vermogen en precisie terwijl het veel minder energie verbruikt.

Efficiënter

De fase-modulatie die in deze benadering wordt gebruikt, vereist veel minder microgolfenergie vergeleken met eerdere methoden. Specifiek merkten de ingenieurs op dat hun apparaat kwantumacties kan uitvoeren met 80 x minder energie. Daardoor produceert het veel minder warmte, waardoor het kan worden gekoppeld aan meer chips om krachtigere apparaten te creëren.

Toepassingen in de praktijk: Sensing & Networking

Er zijn verschillende toepassingen voor deze technologie. Het voor de hand liggende gebruik zal het ondersteunen van toekomstige kwantumcomputerontwerpen zijn. Deze high‑performance chips zijn klein genoeg om nauw samen te pakken en energiezuinig genoeg om oververhittingsproblemen in deze configuratie te voorkomen.

Kwantumsensing

Kwantumsensoren bieden veel grotere nauwkeurigheid vergeleken met traditionele sensoren. Ze bereiken dit door gebruik te maken van superpositie, verstrengeling en squeezening. Deze handelingen stellen het apparaat in staat nauwkeurig veranderingen in magnetische velden, zwaartekracht, tijd, temperatuur en meer te meten. Deze chips kunnen helpen deze sensoren betaalbaarder te maken.

Kwantumnetwerken

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

Pad naar commercialisatie: De 7-10 jaar roadmap

Het zal ongeveer 7‑10 jaar duren voordat deze technologie bij het publiek terechtkomt. Cruciaal is dat deze productietechniek een drijvende factor zal zijn in het stimuleren van de adoptie van kwantumtechnologieën, maar eerst moet ze geperfectioneerd worden. Zodra er echter een samenwerking met de juiste fabrikant tot stand komt, zal de kostenefficiënte strategie verdere integratie en adoptie ondersteunen.

Onderzoeksteam & financiering

De Universiteit van Colorado in Boulder organiseerde de studie over fotonische chips met deelname van Sandia National Laboratories. Specifiek leverden Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer en Sebastian Magri een bijdrage aan dit werk.

De studie ontving financiële en materiële ondersteuning van het Amerikaanse Department of Energy via het Quantum Systems Accelerator-programma, dat wordt gehost door het National Quantum Initiative Science Research Center.

Toekomstige onderzoeksdoelen

Nu zal het team zich richten op het creëren van geïntegreerde fotonische circuits die de eerdere prestatiemaatstaven kunnen overtreffen. De groep streeft ernaar de frequentiegeneratie en filtercapaciteiten van hun chip te verbeteren, naast hun pulsvormingsbenadering, om de prestaties verder te verhogen.

Daarnaast zullen de ingenieurs strategische partners zoeken om hun fabricagemethode operationeel te maken. Deze stap betekent dat ze contact opnemen met de toonaangevende CMOS-fabricagefaciliteiten en een deel van hun productiecapaciteit veiligstellen voor dit nieuwe chipontwerp.

Topkwantumcomputing aandelen om in de gaten te houden

De kwantumcomputingsector blijft groeien, met de concurrentie die maandelijks toeneemt. De huidige toonaangevende ontwerpers van kwantumcomputers, chipfabrikanten en programmeurs blijven deze technologie naar nieuwe hoogten stuwen, waardoor de deur wordt geopend voor innovaties in rekenkracht. Hier is één bedrijf dat aan de voorhoede van deze revolutie blijft staan.

IonQ (IONQ): Een leider in trapped-ion systemen

IonQ (IONQ ) werd gelanceerd in 2015 om kwantumtechnologie vooruit te stuwen. Het bedrijf werd opgericht door twee kwantumcomputing-experts, Christopher Monroe en Dr. Jungsang Kim. Opmerkelijk is dat Monroe een cruciale rol heeft gespeeld in kwantumstudies en wordt beschouwd als een pionier in de industrie.

IonQ heeft bijgedragen aan de innovatie van de technologie, waaronder het creëren van de eerste operationele 5-ytterbium-ionchip die het Deutsch-Jozsa-algoritme uitvoert. Het lanceerde ook de eerste commerciële trapped-ion QCaaS. Deze ontwikkelingen hielpen het bedrijf succesvol $636 M te verkrijgen.

Momenteel biedt het bedrijf verschillende high‑level kwantumproducten aan, waaronder hun Aria 32‑qubit rack‑mount systeem. Daarnaast heeft het bedrijf strategische partnerschappen veiliggesteld met AWS/Azure/Google Cloud en andere toonaangevende cloudproviders.

Wie op zoek is naar een gerenommeerde kwantumcomputing‑provider met jarenlange ervaring, zou meer onderzoek naar IonQ moeten overwegen. Het bedrijf heeft momenteel een marktkapitalisatie van $16,3 B. Opmerkelijk is dat het aandeel recent enige volatiliteit heeft vertoond, met een hoogtepunt van $84,64 en een dieptepunt van $17,88.

Laatste IonQ (IONQ) aandelen nieuws en prestaties

Conclusie

Het belang van het succesvol ontwikkelen van een manier om fotonische chips massaal te produceren kan niet genoeg benadrukt worden. Deze technologie vormt de kern van de uitbreiding van kwantumcomputing en moet geperfectioneerd worden voordat deze technologie publiekelijk toegankelijk wordt. Deze nieuwste ontwikkeling zal ongetwijfeld de kosten van het creëren van kwantumapparaten verlagen, wat op zijn beurt een stabiele aanvoer van chips naar de markt in de toekomst moet garanderen.

Leer meer over andere coole doorbraken in computertechnologie hier.

Referenties

^{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}