Masseproduserbare fotoniske brikker kan låse opp kvanteskalering

Ingeniører ved University of Colorado i Boulder har nettopp funnet ut et viktig steg i adopsjonen av kvantedatamaskiner – skalerbarhet. Den ekstreme presisjonen som kreves for å lage kvanteenheter har ikke vært reproduserbar i stor skala, noe som betyr at kostnadene fortsatt er utenfor rekkevidde for folk flest.

Heldigvis vil denne situasjonen endre seg i årene som kommer, ettersom denne nye utviklingen bruker tradisjonelle CMOS-fabrikasjonsmetoder for å lage stabile kvantebrikker som er mye mindre og rimeligere enn noe som er tilgjengelig i dag. Her er hva du trenger å vite.

Kvante vs. klassisk databehandling: Den fotoniske forskjellen

I motsetning til tradisjonelle datamaskiner bruker ikke kvantedatamaskiner biter og tradisjonelle brikker. I stedet er de avhengige av kvantesuperposisjon og qubits for å løse beregninger. En av de mest populære måtene å bygge kvantedatamaskiner på dreier seg om bruk av optiske fotoniske modulatorer.

Disse enhetene gjør det mulig for kvantedatamaskiner å utnytte fangede ioner eller nøytrale atomer som qubits. Disse brikkene lar ingeniører styre en avstembar laser mot qubitsene, som kommuniserer driftsinstruksjoner for beregninger via frekvensmodulasjoner.

Skalerbarhetsflaskehalsen: Hvorfor masseproduksjon mislyktes

Det er flere problemer med dagens produksjonsmetoder for kvantedatamaskiner. Primært er det ingen problemer når det gjelder masseproduksjon. Disse brikkene er så følsomme og presise at de i de fleste tilfeller må bygges individuelt i laboratoriet. For tiden er monteringsmetoden avhengig av at ingeniører setter sammen mesteparten av enheten for hånd.

I tillegg integrerer disse enhetene kraftige laserstråler for å gi presisjonsinnstillingsmuligheter til flere qubits. Som sådan må de være pålitelige og varmebestandige, spesielt med tanke på at fremtidige kvantedatamaskiner kan bruke tusenvis av qubits.

Formfaktorgrenser

Nåværende kvantebrikker er for store til å kunne brukes i de fleste applikasjoner. De krever kryogen kjøling, lange optiske baner og qubit-design med god avstand. Dette oppsettet bidrar riktignok til å redusere støy, men det gjør dem ekstremt store sammenlignet med tradisjonelle databrikker.

I tillegg vil fremtidige generasjoner av kvantedatamaskiner bruke flere qubits, noe som betyr at de mest avanserte kvantedatamaskinene i dag fortsatt bare er en dråpe i havet sammenlignet med det som vil være offentlig tilgjengelig om et tiår eller så. Følgelig må disse enhetene krympes ned til en rimelig formfaktor før de oppnår storstilt bruk.

Varme ødelegger kvantetilstanden

All laserenergien som brukes til å kommunisere med qubit-ene er et annet problem, ettersom den skaper mye varme. Varme har alltid vært et problem for datamaskiner, uavhengig av hvordan de er satt opp. Kvantedatamaskiner er imidlertid avhengige av å opprettholde en skjør kvantetilstand for å utføre beregninger. Det er derfor de krever kryogen kjøling. Følgelig kan varme gjøre disse enhetene ubrukelige.

Gjennombrudd: CMOS-kompatible fotoniske kretser

Studien "Gigahertz-frekvens akustooptisk fasemodulering av synlig lys i en CMOS-fabrikert fotonisk krets,publisert¹ i tidsskriftet Nature Communications, introduserer en helt ny tilnærming for å produsere optiske kvantebrikker.

Den nye prosessen blir av mange sett på som det første skrittet mot den fotoniske datamaskinrevolusjonen. Enheten, som er 100 ganger tynnere enn et hårstrå, integrerer modulære teknologier for å skape et nytt nivå av effektivitet og stabilitet.

Denne spesialbygde gigahertz-frekvens akustooptiske fasemodulatoren kombinerer en piezoelektrisk transduser og en fotonisk bølgeleder, noe som minimerer formfaktoren samtidig som den opprettholder bølgelengdeskalastrukturen.

Optisk fasemodulator

Den oppgraderte optiske fasemodulatoren kan kontrollere laserlys ved hjelp av mikrobølgefrekvenser. Mikrobølgene får lyset til å bli eksitert og vibrere milliarder av ganger per sekund, noe som muliggjør presis innstilling, samt økt stabilitet og effektivitet. Mer spesifikt integrerer den akustooptiske modulatoren en fotonisk bølgeleder montert på en piezoelektrisk transduser.

CMOS-fabrikasjon muliggjør masseproduksjon

For å oppfylle de strenge størrelseskravene bestemte ingeniørene seg for å lage enheten på en 200 mm wafer som deretter ble kuttet i 120 forskjellige brikker. Prosessen brukte en piezo-optomekanisk aluminiumnitrid-SiNx-plattform, noe som gjorde det mulig for ingeniører å bruke fasemodulasjon for å lage gigahertz-frekvenssidebånd på en 730 nm laserinngang.

Enda mer imponerende er at de brukte standard brikkeproduksjonsteknikker for å lage enhetene, noe som betyr at de kan masseproduseres i fremtiden, noe som åpner døren for mer tilgang til kvantedatamaskiner.

Da ingeniørene diskuterte tilnærmingen sin, snakket de om hvordan CMOS-fabrikasjon er toppen av skalerbar teknologi, og hvordan det å bruke den som et middel til å lage kvantebrikker er avgjørende for videre adopsjon.

Ingeniørene diskuterte spesifikt hvordan denne teknologien har gjort mange av dine favoritt høyteknologiske enheter mulige, inkludert smarttelefoner, bærbare datamaskiner og andre enheter du er avhengig av daglig. De forklarte hvordan den bidro til å spre denne teknologien og hvordan den vil gjøre det samme for fremtidens kvantedrevne enheter.

Kilde - Nature Communications

Dobbeltmodusdrift: Optisk og elektromekanisk

Det er verdt å merke seg at den optiske fasemodulatoren kan operere i to forskjellige moduser. Den første er den forplantningsoptiske modusen, som forplanter og styrer fotoniske bølgeledere på kretser. Denne strategien støtter entanglement-distribusjon, ruting og koherens, noe som gjør den avgjørende for de fleste operasjoner.

Den andre modusen er elektrisk eksiterbar mekanisk resonans i pustemodus, som er avhengig av mikrobølger som påføres nanostrukturer, og skaper piezoelektrisk aktivering. Disse mikrobølgene endrer fotonoscillasjonshastigheter og optiske felt. Det er verdt å merke seg at denne modusen støtter høy optisk effekt, noe som gjør den ideell for avanserte kvanteberegninger.

Ytelsesstandarder: Stabilitet og effektivitet

Ingeniørene utførte flere tester på en radiofrekvensspektrumanalysator for å teste brikkens utgang. For å utføre denne oppgaven monterte teamet brikken på en arm som hadde en laserkilde koblet til et fiberinterferometer.

Den andre enden av enheten var koblet til en akustooptisk frekvensskifter (AOFS). Ingeniørene sendte lys gjennom begge ender av enheten og rekombinerte det deretter ved hjelp av en 50/50 retningskopler. Dette gjør at fotonene kan rettes mot spektrumanalysatoren, noe som øker nøyaktigheten.

Den nye brikken oppnådde en optisk effektvurdering på 730 NM, som overgår målet på 500 mW som ble satt av ingeniørene. I tillegg var teamet i stand til å finjustere enhetens geometri for å forbedre den optomekaniske interaksjonen ytterligere. Denne testen avslørte modulasjonsdybder som nådde 4.85 rad ved bruk av bare en 80 mW mikrobølgeovn satt til 2.31 GHz.

Imponerende nok registrerte enheten det laveste frekvenstapet av alle brikke til dags dato. Spesielt bemerket ingeniørene at den nye brikken var 15 ganger mer stabil og 100 ganger mer effektiv når det gjelder mikrobølgeeffektbehov enn de nåværende kvantebrikkene som er i bruk.

Viktige fordeler med CMOS-fabrikasjon

Det er mange fordeler med masseproduserte fotoniske brikker. For det første kan de produseres i store antall, noe som gjør at teknologien kan gå fra eksklusiv tilgang til et populært databehandlingsalternativ. Denne produksjonsmetoden er rimeligere og vil gjøre det mulig for ingeniører å lage relativt små kvantedatamaskiner som integrerer tusenvis av qubits.

Sveip for å bla →

Denne fabrikasjonsmetoden er i stand til, for første gang, å lage identiske versjoner av disse høyteknologiske, intrikate enhetene. Denne muligheten betyr at ingeniører vil kunne lage og distribuere sine fremtidige kvantedatamaskindesign til massene ved hjelp av allerede eksisterende metoder.

Small Size

En av de største fordelene med dette oppsettet er den lille størrelsen. Med en størrelse på 100 ganger mindre enn et menneskehårstrå er disse brikkene i stand til å støtte kraftige kvantedatamaskiner. Disse enhetene vil integrere tusenvis av qubits som IBMs. (IBM )Condor-brikke, som håndterer 1,121 qubits, men har en mye større formfaktor på grunn av det større laminatet.

High Performance

Imponerende nok kan disse brikkene gi datakraft på nivå med dagens mest avanserte maskiner. De kan støtte over 500 mW optisk effekt, som er den nåværende toppmodellen for avansert kvantedatabehandling. I tillegg støtter den nye brikkedesignen mer optisk effekt og presisjon, samtidig som den bruker langt mindre strøm.

Mer effektivt

Fasemodulasjonen som brukes i denne tilnærmingen krever langt mindre mikrobølgeeffekt sammenlignet med forgjengerne. Spesielt bemerket ingeniørene at enheten deres kan utføre kvantehandlinger med 80 ganger mindre energi. Følgelig produserer den mye mindre varme, noe som gjør at den kan kobles til flere brikker for å lage kraftigere enheter.

Virkelige applikasjoner: Sensoring og nettverk

Det finnes flere bruksområder for denne teknologien. Den åpenbare bruken vil være å støtte fremtidig kvantedatamaskindesign. Disse høyytelsesbrikkene er små nok til å pakkes tett sammen og energieffektive nok til ikke å skape problemer med overoppheting i denne konfigurasjonen.

Kvantesansing

Kvantesensorer gir langt større nøyaktighet sammenlignet med tradisjonelle sensorer. De utfører denne oppgaven ved bruk av superposisjon, sammenfiltring og klemme. Disse handlingene lar enheten måle endringer i magnetfelt, tyngdekraft, tid, temperatur og mer nøyaktig. Disse brikkene kan bidra til å gjøre disse sensorene rimeligere.

Kvantenettverk

En annen viktig applikasjon er kvantenettverk. Denne teknologien utnytter sammenfiltring for å kommunisere data med høye overføringshastigheter. Mer spesifikt bruker den kvante Bell-par og teleportering for å overføre tilstander uten kloning. Målet med denne teknologien er å skape en infrastruktur for kvanteinternett en dag.

Veien til kommersialisering: Veikartet for 7–10 år

Det vil ta rundt 7–10 år før denne teknologien blir tilgjengelig for offentligheten. Avgjørende er at denne produksjonsteknikken vil være en drivende faktor i å fremme bruken av kvanteteknologi, men først må den perfeksjoneres. Men når den er inngått et samarbeid med riktig produsent, vil lavkostnadsstrategien støtte videre integrering og bruk.

Forskningsteam og finansiering

University of Colorado i Boulder var vertskap for studien av fotoniske brikker med deltakelse fra Sandia National Laboratories. Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer og Sebastian Magri bidro til dette arbeidet.

Studien mottok økonomisk og materiell støtte fra det amerikanske energidepartementet gjennom Quantum Systems Accelerator-programmet, som arrangeres av National Quantum Initiative Science Research Center.

Fremtidige forskningsmål

Nå vil teamet sette seg mål om å lage integrerte fotoniske kretser som er i stand til å overgå tidligere ytelsesmål. Gruppen ønsker å forbedre sine frekvensgenererings- og filtreringsmuligheter for brikker, i tillegg til sin pulsformingstilnærming, for å fremme ytelsen.

Ingeniørene vil også finne strategiske partnere som kan hjelpe dem med å sette produksjonsmetoden ut i drift. Dette trinnet innebærer å kontakte de ledende CMOS-produksjonsstedene og sikre en del av anlegget deres for denne nye brikkedesignen.

Topp kvantedatamaskinaksje å følge med på

Kvantedatamaskinsektoren fortsetter å ekspandere, og konkurransen øker månedlig. Dagens ledende kvantedatamaskindesignere, brikkeprodusenter og programmerere fortsetter å presse denne teknologien til nye høyder, og åpner døren for innovasjoner innen beregningskraft. Her er ett selskap som fortsatt er i forkant av denne revolusjonen.

IonQ (IONQ): En leder innen fangede ionsystemer

IonQ (IONQ ) lansert i 2015 for å drive kvanteteknologi fremover. Selskapet ble grunnlagt av to kvanteberegningseksperter, Christopher Monroe og Dr. Jungsang Kim. Monroe har vært sentral innen kvantestudier og regnes som en pioner i bransjen.

IonQ har bidratt til å innovere teknologien, inkludert å lage den første operative 5-ytterbiumionbrikken som kjører Deutsch-Jozsa-algoritmen. De lanserte også den første kommersielle QCaaS-brikken med fangede ioner. Disse utviklingene hjalp selskapet med å sikre 636 millioner dollar.

For tiden tilbyr selskapet flere kvanteprodukter på høyt nivå, inkludert deres Aria 32-qubit rackmonteringssystem. I tillegg har selskapet sikret seg strategiske partnerskap med AWS/Azure/Google Cloud og andre ledende skyleverandører.

De som søker en anerkjent leverandør av kvantedatamaskiner med mange års erfaring, bør vurdere å undersøke IonQ mer. Selskapet har for tiden en markedsverdi på 16.3 milliarder dollar. Det er verdt å merke seg at aksjen har opplevd noe volatilitet i det siste, med en topp på 84.64 dollar og en bunn på 17.88 dollar.

Siste nytt om IonQ (IONQ)-aksjen og -utviklingen

Konklusjon

Viktigheten av å lykkes med å utvikle en metode for masseproduksjon av fotoniske brikker kan ikke undervurderes. Denne teknologien er kjernen i kvantedatamaskinens ekspansjon og må perfeksjoneres før teknologien blir offentlig tilgjengelig. Denne siste utviklingen vil garantert redusere kostnadene ved å lage kvanteenheter, noe som igjen bør gi en stabil tilførsel av brikker til markedet i fremtiden.

Lær om andre kule gjennombrudd innen datateknologi Her.

Referanser

^{1. Freedman, JM, Storey, MJ, Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, NT, og Eichenfield, M. (2025). Gigahertz-frekvens akustooptisk fasemodulasjon av synlig lys i en CMOS-fabrikert fotonisk krets. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}