Masseproduserbare fotoniske brikker kan låse opp kvanteskalering

Ingeniører ved University of Colorado at Boulder har nettopp funnet et viktig steg i adopsjonen av kvantedatabehandling – 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 de fleste.

Heldigvis vil denne situasjonen endre seg i de kommende årene, ettersom denne nylige utviklingen bruker tradisjonelle CMOS-fremstillingsmetoder for å lage stabile kvantebrikker som er mye mindre og rimeligere enn noe som er tilgjengelig i dag. Her er det du trenger å vite.

Quantum vs. Classical Computing: The Photonic Difference

Til forskjell fra tradisjonelle datamaskiner bruker kvantedatamaskiner ikke bits og tradisjonelle brikker. I stedet baserer de seg på kvantesuperposisjon og qubits for å løse beregninger. En av de mest populære metodene for å bygge kvantedatamaskiner dreier seg om å bruke 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 justerbar laser mot qubits, som kommuniserer driftsinstruksjoner for beregninger via frekvensmodulasjoner.

The Scalability Bottleneck: Why Mass Production Failed

Det finnes flere problemer med de nåværende produksjonsmetodene for kvantedatamaskiner. Primært er det ingen i form av masseproduksjon. Disse brikkene er så følsomme og presise at de i de fleste tilfeller må bygges i laboratoriet på individuell basis. For øyeblikket er monteringsmetoden avhengig av at ingeniører setter sammen mesteparten av enheten manuelt.

I tillegg integrerer disse enhetene høy-energi laserstråler for å gi presis justering av flere qubits. Som sådan må de være pålitelige og varmebestandige, spesielt når man vurderer at fremtidige kvantedatamaskiner kan bruke tusenvis av qubits.

Form Factor Limits

Nåværende kvantebrikker er for store til å brukes i de fleste applikasjoner. De krever kryogen kjøling, lange optiske baner og spredte qubit-designs. Denne oppsettet bidrar faktisk til å redusere støy, men gjør dem ekstremt store sammenlignet med tradisjonelle datamaskinbrikker.

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

Heat Destroys the Quantum State

All den laserenergien som brukes til å kommunisere med qubits er et annet problem, da den genererer mye varme. Varme har alltid vært problematisk for datamaskiner, uavhengig av oppsettet. Imidlertid er kvantedatamaskiner avhengige av å opprettholde en skjør kvantetilstand for å utføre beregninger. Derfor krever de kryogen kjøling. Som følge av dette kan varme gjøre disse enhetene ubrukelige.

Breakthrough: CMOS-Compatible Photonic Circuits

Studien “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit,” 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 steget 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 akusto-optiske fase-modulatoren kombinerer en piezoelektrisk transduser og en fotonisk bølgeguide, og minimerer formfaktoren samtidig som den opprettholder en struktur på bølgelengde-skala.

Optical Phase Modulator

Den oppgraderte optiske fase-modulatoren 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 justering, i tillegg til økt stabilitet og effektivitet. Spesifikt integrerer den akusto-optiske modulatoren en fotonisk bølgeguide montert på en piezoelektrisk transduser.

CMOS Fabrication Enables Mass Production

For å oppfylle de strenge størrelseskravene bestemte ingeniørene seg for å lage enheten på en 200 mm wafer som deretter ble skåret i 120 forskjellige brikker. Prosessen brukte en piezo-optomekanisk aluminium nitrid-SiNx-plattform, som gjorde det mulig for ingeniørene å bruke fase-modulering for å skape gigahertz-frekvens sidebånd på en 730 nm laserinngang.

Enda mer imponerende er at de benyttet standard brikkefremstillingsteknikker for å lage enhetene, noe som betyr at de kan masseproduseres i fremtiden, og åpner døren for bredere tilgang til kvantedatabehandling.

Når de diskuterte tilnærmingen sin, snakket ingeniørene om hvordan CMOS-fremstilling er toppen av skalerbar teknologi, og hvordan bruk av dette som en metode for å lage kvantebrikker er avgjørende for videre adopsjon.

Spesielt diskuterte ingeniørene 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 har bidratt til å spre denne teknologien og hvordan den vil gjøre det samme for kvantedrevne enheter i fremtiden.

Kilde – Nature Communications

Dual-Mode Operation: Optical and Electromechanical

Spesielt kan den optiske fase-modulatoren operere i to ulike moduser. Den første er den propagerende optiske modusen, som forplanter seg og styrer fotoniske bølgeguider på kretsene. Denne strategien støtter entanglement-distribusjon, ruting og koherens, og er avgjørende for de fleste operasjoner.

Den andre modusen er elektrisk eksitabel “breathing-mode” mekanisk resonans, som baserer seg på mikrobølger påført nanostrukturer, og skaper piezoelektrisk aktivering. Disse mikrobølgene endrer fotonoscillasjonsrater og optiske felt. Spesielt støtter denne modusen høye optiske kraftnivåer, noe som gjør den ideell for avanserte kvanteberegninger.

Performance Benchmarks: Stability & Efficiency

Ingeniørene utførte flere tester med en radiofrekvens spektrumanalysator for å teste brikkens output. For å utføre dette monterte teamet brikken på en arm som hadde en laserskilde koblet til en fiberinterferometer.

Den andre enden av enheten ble koblet til en akusto-optisk frekvensskifter (AOFS). Ingeniørene sendte lys gjennom begge ender av enheten og kombinerte det deretter ved hjelp av en 50/50 retningskobler. Dette gjør at fotonene kan rettes mot spektrumanalysatoren, noe som øker nøyaktigheten.

Den nye brikken oppnådde en optisk effektvurdering på 730 NM, noe som overgår målet på 500 mW som ingeniørene satte. I tillegg klarte teamet å justere enhetens geometri for ytterligere å forbedre optomekanisk interaksjon. Denne testen avdekket modulasjonsdybder på opptil 4,85 rad ved kun 80 mW mikrobølgeeffekt innstilt på 2,31 GHz.

Imponerende registrerte enheten den laveste frekvenstapet av alle brikker til dags dato. Spesielt bemerket ingeniørene at den nye brikken var 15 ganger mer stabil og 100 ganger mer effektiv med hensyn til mikrobølgeeffektkrav enn de nåværende kvantebrikkene i bruk.

Key Advantages of CMOS Fabrication

Det er mange fordeler som masseproduserte fotoniske brikker vil bringe til markedet. For det første kan de fremstilles i enorme mengder, noe som gjør at teknologien kan gå fra eksklusiv tilgang til et populært databehandlingsalternativ. Denne fremstillingsmetoden er mer rimelig og vil gjøre det mulig for ingeniører å lage relativt små kvantecomputere som integrerer tusenvis av qubits.

Sveip for å bla →

Nå er denne fremstillingsmetoden i stand til, for første gang, å lage identiske versjoner av disse høyteknologiske, intrikate enhetene. Denne evnen betyr at ingeniører vil kunne lage og distribuere sine fremtidige kvantecomputerdesign 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 som er 100 ganger mindre enn et menneskehår, kan disse brikkene støtte kraftige kvantecomputerdesign. Disse enhetene vil integrere tusenvis av qubits som IBMs (IBM )Condor chip, som håndterer 1 121 qubits, men har en mye større formfaktor på grunn av den større laminaten.

High Performance

Imponerende kan disse brikkene levere datakraft på nivå med dagens mest avanserte maskiner. De kan støtte over 500 mW optisk kraft, som er den nåværende øvre grensen for høyytelses kvantedatabehandling. I tillegg støtter det nye brikkedesignet mer optisk kraft og presisjon samtidig som det bruker langt mindre energi.

More Efficient

Fasemoduleringen som brukes i denne tilnærmingen krever langt mindre mikrobølgeeffekt sammenlignet med forgjengerne. Spesielt bemerket ingeniørene at deres enhet kan utføre kvantehandlinger med 80 ganger mindre energi. Som følge av dette produserer den mye mindre varme, noe som gjør det mulig å koble den med flere brikker for å skape kraftigere enheter.

Real-World Applications: Sensing & Networking

Det finnes flere anvendelser av 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 å unngå overopphetingsproblemer i denne konfigurasjonen.

Quantum Sensing

Kvantemålere gir langt høyere nøyaktighet sammenlignet med tradisjonelle sensorer. De oppnår dette ved bruk av superposisjon, entanglement og squeezing. Disse handlingene gjør at enheten kan måle endringer i magnetfelt, gravitasjon, tid, temperatur og mer med høy presisjon. Disse brikkene kan bidra til å gjøre disse sensorene mer rimelige.

Quantum Networking

En annen viktig anvendelse er kvantennettverk. Denne teknologien utnytter entanglement for å kommunisere data med høye overføringshastigheter. Spesielt bruker den kvante-Bell-par og teleportasjon for å overføre tilstander uten kloning. Målet med denne teknologien er å en dag skape en infrastruktur for det kvanteinternettet.

Path to Commercialization: The 7-10 Year Roadmap

Det vil ta omtrent 7-10 år før denne teknologien når publikum. Avgjørende vil denne produksjonsteknikken være en drivkraft for å fremme adopsjonen av kvanteteknologier, men først må den perfeksjoneres. Når den imidlertid er i partnerskap med riktig produsent, vil den lavkoststrategien støtte videre integrasjon og adopsjon.

Research Team & Funding

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

Studien mottok økonomisk og materiell støtte fra USAs energidepartement gjennom Quantum Systems Accelerator-programmet, som er vert av National Quantum Initiative Science Research Center.

Future Research Goals

Nå vil teamet sette seg fore mål om å lage integrerte fotoniske kretser som kan overgå tidligere ytelsesmålinger. Gruppen søker å forbedre brikkens frekvensgenerering og filtreringsevner, i tillegg til pulsgjennomformingsmetoden, for ytterligere ytelse.

I tillegg vil ingeniørene finne strategiske partnere for å sette deres fremstillingsmetode i drift. Dette trinnet innebærer å kontakte de ledende CMOS-fremstillingsanleggene og sikre en del av deres fabrikk for dette nye brikkedesignet.

Top Quantum Computing Stock to Watch

Kvantedatabehandlingssektoren fortsetter å vokse, med konkurransen som øker månedlig. Dagens ledende kvantecomputerdesignere, brikkefabrikanter 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 frontlinjen av denne revolusjonen.

IonQ (IONQ): A Leader in Trapped-Ion Systems

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

IonQ har bidratt til å innovere teknologien, inkludert å lage den første operative 5-ytterbium-ion-brikken som kjører Deutsch-Jozsa-algoritmen. De lanserte også den første kommersielle trapped-ion QCaaS. Disse utviklingene hjalp selskapet med å sikre $636 M.

Foreløpig tilbyr selskapet flere høyteknologiske kvanteprodukter, inkludert deres Aria 32-qubit rack-monterte system. I tillegg har selskapet sikret strategiske partnerskap med AWS/Azure/Google Cloud og andre ledende skyleverandører.

De som søker en anerkjent kvantedatabehandlingsleverandør med mange års erfaring bør vurdere å undersøke IonQ nærmere. Selskapet har for tiden en markedsverdi på $16,3 milliarder. Merk at aksjen har vist noe volatilitet nylig, med en topp på $84,64 og en bunn på $17,88.

Latest IonQ (IONQ) Stock News and Performance

Conclusion

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

Lær om andre kule datateknologiske gjennombrudd her.

Referanser

^{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}