Kvantemarsj: Verdens første hybride kvante‑fotoniske chip

Med investeringene i taket og gjennombrudd som multipliseres, er kvanteteknologi nærmere enn noen gang å bli en realitet. 

Ifølge McKinsey er de tre hovedpilarene i kvanteteknologi, som er kvanteberegning, kvantekommunikasjon, og kvantesensing, sammen kan generere så mye $97 milliarder i inntekter verden over innen neste tiår. 

Teknologien håndterer prinsippene i kvantemekanikken for å skape innovative teknologier som overgår evnene til klassiske teknologier.

En av de lovende måtene å utvikle kvanteteknologier på er gjennom fotonikk. Dette skyldes dens naturlige kompatibilitet med optiske interkonnekt for entanglement‑distribusjon, dens robusthet mot dekohorens ved romtemperatur, og dens evne til å krympe til chip‑skalaformat.

Fotonikk er vitenskapen om lys (fotoner) og omhandler generering, deteksjon og manipulering av lys for ulike anvendelser.

For kvante‑fotoniske systemer tilbyr silisium‑fotonikk den mest skalerbare plattformen. De kan bygges ved hjelp av halvlederfremstillingsteknikkene utviklet i den komplementære metall‑oksid‑semiconductor (CMOS) mikroelektronikkindustrien, som allerede produserer chips i stor skala.

Mens silisium‑fotonikk snart kan brukes til å lage enorme mengder fysiske qubits, som kreves for å oppnå nyttig kvanteinformasjonshåndtering i miniaturiserte optiske enheter for å generere og manipulere kvantetilstander av lys, er byggingen av disse silisium‑kvante‑fotoniske integrerte kretsene en alvorlig utfordring.

Problemene er relatert til termisk krysstale, frie bærere og selvoppvarmende ikke‑lineariteter, og behovet for å håndtere ekstrem sensitivitet for enhver variasjon i temperatur og prosess. 

Det som er viktig er at for at silisium‑kvante‑fotoniske enheter skal fungere riktig, trenger de kontinuerlig overvåking så vel som kontroll av elektroniske kretser. Så, klumpete eksterne elektronikker har blitt brukt, noe som delvis adresserer problemene, men det også resulterer i at mange fordeler ved en chip‑skala plattform går tapt. 

For å realisere det fulle potensialet til silisium‑fotonikk som plattform for kvanteinformasjonshåndtering, må vi løse den klassiske kontrollflaskehalsen.

Dermed har et tverrfaglig forskerteam introdusert et elektronisk‑fotonisk kvantesystem‑på‑chip. Det er fremstilt i et kommersielt 45‑nm CMOS mikroelektronikk‑funnery.

Dette er verdens første hybride chip som kombinerer elektronikk, fotonikk, og kvante‑kraft. 

Bruken av CMOS gjør forskningen enda mer prisverdig. Denne halvlederteknologien er hjørnesteinen i moderne elektronikk. Selskaper som Samsung, Sony, Intel (INTC ), og TSMC bruker den til masseproduksjon av elektronikk.

45 nm‑noden er derimot velprøvd og kostnadseffektiv. Den er også kompatibel med den brede infrastrukturen for silisiumproduksjon.

Deres fullt integrerte, modulære kontrolltilnærming, ifølge teamet, “baner vei for at silisium‑kvante‑fotonikk kan oppnå den massive skalaen som kreves for fremtidige generasjoner av kvanteinformasjonssystemer.”

Tverrfaglig samarbeid bringer kvanteteknologi nærmere virkeligheten

Den siste studien, som markerer et stort gjennombrudd i kvanteteknologi, ble utført av forskere fra UC Berkeley, Boston University, og Northwestern University.

“Den typen tverrfaglig samarbeid dette arbeidet krevde er akkurat det som trengs for å flytte kvantesystemer fra laboratoriet til skalerbare plattformer. Vi kunne ikke ha gjort dette uten de kombinerte innsatsene innen elektronikk, fotonikk, og kvantemåling.”

– Prem Kumar, professor i elektroteknikk og datateknikk ved Northwestern

Forskningen ble støttet av National Science Foundation. Publisert i Nature Electronics, studien beskriver systemet¹ som har lykkes med å integrere kvante‑lyskilder og stabiliserende elektronikk på en enkelt silisiumchip, fremstilt ved bruk av standard 45‑nm halvlederprosess.

Denne kombinasjonen gjør det mulig for chipen å generere strømmer av korrelerte fotonpar kontinuerlig, som er grunnlaget for ulike kvanteapplikasjoner.

Hver silisiumchip har et array av “kvante‑lysfabrikker”, totalt tolv uavhengige kvante‑lyskilder som drives av laserlys. De er også avhengige av mikroring‑resonatorer for å generere fotonpar. Hver av disse kildene har en dimensjon på mindre enn en millimeter i hver retning.

Dette markerer et stort steg mot utviklingen av mer komplekse kvantesystemer bestående av flere sammenkoblede chips og masseproduksjon av “kvante‑lysfabrikk”-chips. Ifølge seniorstudieforfatter Miloš Popović, som er førsteamanuensis i elektroteknikk og datateknikk ved BU:

“Kvanteregning, kommunikasjon, og sensing er på en flere tiår lang vei fra konsept til virkelighet. Dette er et lite steg på den veien—men et viktig ett, fordi det viser at vi kan bygge repeterbare, kontrollerbare kvantesystemer i kommersielle halvlederfunnery.”

For øyeblikket, i de tidlige utviklingsstadiene, skiller kvanteteknologi seg fra eksisterende datamaskiner, som bruker klassiske biter som enten er null eller én, ved å benytte kvantebiter (qubits). 

Disse qubitene kan eksistere i en superposisjon av begge tilstander samtidig, noe som gjør at kvantedatamaskiner kan utføre beregninger parallelt, og dermed , føre til massive hastighetsøkninger. Her er superposisjon eksistensen av et kvantesystem i flere tilstander på én gang. 

Knekker skaleringskoden med sanntids‑selvjustering

Nå finnes det ulike måter kvanteteknologi kan anvendes på, og fotonikk er en av dem, hvor en kontrollert strøm av lys, enkeltfotoner, eller sammenfiltrede fotonpar, er nødvendig for å utføre sin funksjon. 

Disse stabile strømmer av kvante‑lys genereres ved hjelp av enheter som mikroring‑resonatorer og kvantedråper.

Mikroring‑resonatorer er presist konstruerte fotoniske enheter som gjør det mulig å generere kvantetilstander av lys på en chip. Disse er essensielle elementer i silisium‑fotonikk, da de tilbyr en svært effektiv måte å lede lys på nanometerskala. Dette oppnås ved å sirkulere lyset i en sirkel for å nå en målrettet bølgelengde (resonans).

For å generere strømmer av kvante‑lys i form av korrelerte fotonpar, må mikroring‑resonatorene justeres i sync med det innkommende laserlyset som driver hver kvante‑lysfabrikk på chipen. Det brukes også som drivstoff for generasjonsprosessen.

Resonatorene er imidlertid svært følsomme for temperatur‑ og produksjonsvariasjoner. Dette kan føre til at de blir ute av sync og forstyrrer den stabile genereringen av kvante‑lys.

For å forhindre forstyrrelsen av lysgenereringen når resonatorene presses ut av sync, bygde teamet et integrert system som aktivt stabiliserer kvante‑lyskilder på chip, spesielt, resonatorene som genererer strømmer av korrelerte fotoner. Disse lyskildene er tilstede i hver chip og opererer parallelt. 

“Det som begeistrer meg mest er at vi integrerte kontrollen direkte på chip — stabiliserte en kvanteprosess i sanntid. Det er et kritisk steg mot skalerbare kvantesystemer.”

– Anirudh Ramesh, PhD‑student ved Northwestern som ledet kvantemålingene

Interessant nok er den ekstreme følsomheten til mikroring‑resonatorene faktisk grunnlaget for kvante‑lyskilder, den egentlige grunnen til at kvante‑lysstømmer kan genereres effektivt og på minimal chip‑areal. Imidlertid kan selv små temperaturendringer betydelig påvirke foton‑par‑generasjonsprosessen. 

For å overvinne dette problemet, implanterte forskerne et sanntids‑kontrollsystem rett på chipen. De integrerte fotodioder i hver resonator på en spesiell måte, slik at de kan overvåke ytelsen, spesielt justeringen med det innkommende laserlyset, mens de bevarer kvante‑lys‑genereringen.

Samtidig justerer miniatyr‑varmere og kontroll‑logikk på chipen kontinuerlig resonansen som respons på drift. Så selv om forholdene varierer, opprettholder denne innebygde tilbakemeldingssløyfen kvante‑lys‑genereringsprosessen, noe som får enheten til å oppføre seg forutsigbart.

Den selvjusterende funksjonen gjør at alle tolv resonatorer kan arbeide sammen i perfekt sync, uten behov for klumpete stabiliseringsutstyr. Dette er et viktig poeng, da det er et nøkkelkrav for å skalere opp kvantesystemer. Ifølge Imbert Wang, PhD‑student ved Boston University som ledet fotonisk enhetsdesign:

“En nøkkelutfordring i forhold til vårt tidligere arbeid var å presse fotonisk design til å møte de krevende kravene til kvante‑optikk samtidig som vi holdt oss innenfor de strenge begrensningene til en kommersiell CMOS‑plattform. Det muliggjorde samdesign av elektronikk og kvante‑optikk som et samlet system.”

Hele systemet ble fremstilt på en kommersiell 45‑nm CMOS‑chip‑plattform utviklet gjennom et samarbeid mellom BU, UC Berkeley, GlobalFoundries, og Ayar Labs. Oppstartsbedriften Ayar Labs er involvert i å skape teknologi for chips som bruker lys‑pulser og sikret $155 millioner i risikokapital fra AMD Ventures, Intel Capital, og Nvidia (NVDA ), med en verdivurdering på $1 milliard, noe som “legger grunnlaget for masseproduksjon”.

Produksjonsprosessen muliggjør avanserte optiske interkonnekt for AI og superdatabehandling, og nå komplekse kvante‑fotoniske systemer på en skalerbar silisiumplattform.

“Målet vårt var å vise at komplekse kvante‑fotoniske systemer kan bygges og stabiliseres helt innenfor en CMOS‑chip. Det krevde tett koordinering på tvers av domener som vanligvis ikke snakker med hverandre.”

– Daniel Kramnik, PhD‑student ved UC Berkeley som ledet chip‑design, pakking, og integrasjon

Avhengigheten chipen har av teknikkene som allerede er i bruk betyr at det ikke er behov for å lage nye oppsett, og dermed, baner vei for skalerbar kvanteberegning.

Investering i kvantesystemer 

Verdens kvanteteknologi gjør raske fremskritt, og kommer nærmere virkeligheten for hvert år som går. Her er International Business Machines (IBM ) blant de som leder feltet, spesielt innen kvanteberegning. Nylig publiserte forskere fra IBM® og kvante‑oppstarten Pasqal et white paper², hvor de la frem definisjonen av kvantefordel, hvordan påstandene kan valideres vitenskapelig, og måter å oppnå den på.

International Business Machines (IBM )

Denne måneden samarbeidet IBM Quantum også med Moderna for å modellere mRNA‑struktur ved hjelp av kvantesimulering. For dette brukte de 80 qubits fra en IBM Quantum Heron‑prosessor, som kjørte en spesialisert algoritme med mål om å “forbedre menneskers helse.”

“Vi mener det er kritisk å utforske alle tilgjengelige verktøy, inkludert kvanteberegning, for å skalere vår fremgang i dag, i stedet for å vente på at teknologien blir fullt moden i fremtiden.”

– Alexey Galda, tilknyttet vitenskapelig direktør for kvantealgoritmer og -applikasjoner hos Moderna

Forrige måned kunngjorde IBM også en stor kunngjøring om at de bygger verdens første storskala kvante‑datamaskin som de forventer å levere til kunder i 2029. 

Den feil‑tolerante kvante‑datamaskinen kalt IBM Starling vil være 20 000 ganger kraftigere enn eksisterende kvante‑datamaskiner og “ville kreve minnet til mer enn en kvindecillion av verdens mest kraftige superdatamaskiner.”

Ifølge selskapets veikart vil ankomsten av Starling følge flere milepæler, inkludert den første demonstrasjonen av ‘kvantefordel’ neste år, hvor kvante‑datamaskiner vil begynne å overgå klassiske datamaskiner i praktiske beregningsapplikasjoner.

Men før det vil IBM Quantum Loon debutere senere i år sammen med sin Nighthawk‑chip. Og en gang neste år vil IBM Quantum Kookaburra følge opp, med selskapets første modulære prosessor for lagring og prosessering av kodet informasjon. Deretter vil IBM Quantum Cockatoo bli rullet ut året etter, hvis arkitektur “vil koble kvante‑chips sammen som noder i et større system, og unngå behovet for å bygge urealistisk store chips”.

Disse lanseringene vil til slutt føre til lanseringen av Starling før tiåret er over. Denne innovasjonen håper å kjøre “100 millioner kvanteoperasjoner ved bruk av 200 logiske qubits”.

Med Starling har IBM som mål å løse virkelige utfordringer, noe kvanteteknologi ennå ikke har oppnådd. Ifølge administrerende direktør Arvind Krishna vil deres kvante‑datamaskin også “låse opp enorme muligheter for virksomheter”.

Ifølge veikartet strekker IBMs mål for kvanteberegning seg utover Starling. Blue Jay vil bli den andre generasjons feil‑tolerante kvante‑databehandlings‑ISA, som ikke forventes å ankomme før etter 2033. Innen da kan dataplattformen skaleres opp til 1 milliard porter og 2 000 logiske qubits. 

Når det gjelder markedsprestasjonen til IBM med en markedsverdi på 262 milliarder dollar, som er leverandør av global hybrid‑sky og AI‑ og konsulentekspertise, handles aksjene for tiden over 265 dollar, opp 28,29 % år‑til‑dato. Selskapet betaler en utbytteavkastning på 2,38 %.

Nylig rapporterte selskapet sine Q2 2025‑resultater, som viste en 8 % økning i inntektene til 17 milliarder dollar, 6,1 milliarder dollar i netto kontantstrøm fra driftsaktiviteter, og fri kontantstrøm på 4,8 milliarder dollar.

“Vi overgikk igjen forventningene for inntekter, fortjeneste og fri kontantstrøm i kvartalet. IBM forblir høyt differensiert i markedet på grunn av vår dype innovasjon og domenekompetanse, begge avgjørende for å hjelpe kunder med å distribuere og skalere AI. Vår generative AI‑virksomhet fortsetter å akselerere og ligger nå på mer enn 7,5 milliarder dollar.”

– CEO Krishna

Siste nyheter og utviklinger for International Business Machines (IBM) aksjer

Konklusjon

Kvanteteknologi utvikler seg raskt, og gjør sin vei fra et konsept til en skalerbar industri, drevet av gjennombrudd som hybride kvante‑elektronisk‑fotoniske chips. 

Ved å integrere kvante‑lyskilder, stabiliserende elektronikk, og skalerbar produksjon i en enkelt chip, har studien optimalt skapt en blåkopi for den kvantefremtiden. Og etter hvert som kvante‑fotoniske systemer gjør fremskritt, kan de nyeste hybride chipene bli grunnlaget for teknologier som avansert sensing, sikre kommunikasjonsnettverk, og kvanteberegning.

Med IBM som bygger massive kvanteprosessorer, er tidene virkelig spennende, og det neste tiåret ser ut til å bli avgjørende for at kvanteberegning endelig leverer reell påvirkning i den virkelige verden.

Klikk her for en liste over de beste kvanteberegningsselskapene i 2025.

Referanser:

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. Skalerbar tilbakemeldingsstabilisering av kvante‑lyskilder på en CMOS‑chip. Nature Electronics, 8, (2025). Publisert online 14. juli 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. Et rammeverk for kvantefordel. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant‑ph] (2025). Publisert online 14. juli 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658