Массовое производство фотонных чипов может открыть путь к квантовому масштабированию.

Инженеры из Университета Колорадо в Боулдере только что нашли ключевой шаг на пути внедрения квантовых вычислений — масштабируемость. Чрезвычайная точность, необходимая для создания квантовых устройств, до сих пор не воспроизводилась в больших масштабах, а это значит, что их стоимость по-прежнему недоступна для большинства людей.

К счастью, в ближайшие годы ситуация должна измениться, поскольку эта недавняя разработка использует традиционные методы изготовления CMOS-технологий для создания стабильных квантовых чипов, которые намного меньше и доступнее, чем все, что есть сегодня. Вот что вам нужно знать.

Квантовые и классические вычисления: фотонные различия

В отличие от традиционных компьютеров, квантовые компьютеры не используют биты и традиционные микросхемы. Вместо этого они полагаются на квантовую суперпозицию и кубиты для решения вычислительных задач. Один из самых популярных способов создания квантовых компьютеров основан на использовании оптических фотонных модуляторов.

Эти устройства позволяют квантовым компьютерам использовать захваченные ионы или нейтральные атомы в качестве кубитов. Эти чипы позволяют инженерам направлять перестраиваемый лазер на кубиты, которые передают инструкции по выполнению вычислений посредством частотной модуляции.

Проблема масштабируемости: почему массовое производство потерпело неудачу.

В современных методах производства квантовых компьютеров есть несколько проблем. В первую очередь, их нет в плане массового производства. Эти чипы настолько чувствительны и точны, что в большинстве случаев их необходимо собирать в лаборатории индивидуально. В настоящее время метод сборки основан на том, что инженеры вручную собирают большую часть устройства.

Кроме того, эти устройства используют мощные лазерные лучи для обеспечения точной настройки множества кубитов. Поэтому они должны быть надежными и термостойкими, особенно если учесть, что будущие квантовые компьютеры могут использовать тысячи кубитов.

Ограничения форм-фактора

Современные квантовые чипы слишком велики для большинства применений. Они требуют криогенного охлаждения, длинных оптических путей и разнесенной конструкции кубитов. Такая конфигурация действительно помогает снизить уровень шума, но делает их чрезвычайно большими по сравнению с традиционными компьютерными чипами.

Кроме того, будущие поколения квантовых компьютеров будут использовать больше кубитов, а это значит, что самые передовые квантовые компьютеры сегодня — всего лишь капля в море по сравнению с тем, что станет общедоступным примерно через десять лет. Следовательно, эти устройства необходимо будет уменьшить до приемлемых размеров, прежде чем они получат широкое распространение.

Нагрев разрушает квантовое состояние.

Вся энергия лазера, используемая для связи с кубитами, — это отдельная проблема, поскольку она выделяет много тепла. Тепло всегда было проблемой для компьютеров, независимо от их конфигурации. Однако квантовые компьютеры полагаются на поддержание хрупкого квантового состояния для выполнения вычислений. Именно поэтому им требуется криогенное охлаждение. Следовательно, тепло может сделать эти устройства неработоспособными.

Прорыв: фотонные схемы, совместимые с КМОП-технологией.

Учеба "Акустооптическая фазовая модуляция видимого света на гигагерцовых частотах в фотонной схеме, изготовленной на основе КМОП-технологии.опубликовано¹ В журнале Nature Communications опубликована статья, представляющая совершенно новый подход к производству оптических квантовых чипов.

Многие рассматривают новый процесс как первый шаг к революции в области фотонных компьютеров. Устройство, которое в 100 раз тоньше волоса, объединяет модульные технологии для достижения нового уровня эффективности и стабильности.

Этот специально разработанный акустооптический фазовый модулятор гигагерцового диапазона сочетает в себе пьезоэлектрический преобразователь и фотонный волновод, минимизируя габариты при сохранении структуры, соответствующей длине волны.

Оптический фазовый модулятор

Усовершенствованный оптический фазовый модулятор позволяет управлять лазерным излучением с помощью микроволновых частот. Микроволны вызывают возбуждение света и его колебания миллиарды раз в секунду, что обеспечивает точную настройку, а также повышенную стабильность и эффективность. В частности, акустооптический модулятор интегрирует фотонный волновод, установленный на пьезоэлектрическом преобразователе.

Технология CMOS-технологий обеспечивает массовое производство.

Чтобы соответствовать жестким требованиям к размерам, инженеры решили создать устройство на 200-миллиметровой пластине, которая затем была разрезана на 120 различных чипов. В процессе использовалась пьезооптомеханическая платформа из нитрида алюминия и SiNx, что позволило инженерам использовать фазовую модуляцию для создания боковых полос гигагерцовой частоты на входе лазера с длиной волны 730 нм.

Ещё более впечатляет то, что для создания этих устройств они использовали стандартные технологии производства микросхем, а это значит, что в будущем их можно будет производить массово, открывая тем самым новые возможности для квантовых вычислений.

Обсуждая свой подход, инженеры говорили о том, что технология CMOS-печати является вершиной масштабируемых технологий и что ее использование для создания квантовых чипов имеет решающее значение для дальнейшего внедрения.

В частности, инженеры обсудили, как эта технология сделала возможным создание многих ваших любимых высокотехнологичных устройств, включая смартфоны, ноутбуки и другие устройства, от которых вы зависите ежедневно. Они объяснили, как это способствовало распространению данной технологии и как это будет способствовать развитию квантовых устройств будущего.

Источник - Природа связи

Двухрежимная работа: оптическая и электромеханическая

Примечательно, что оптический фазовый модулятор может работать в двух различных режимах. Первый — это распространяющийся оптический режим, который распространяет и направляет фотонные волноводы по схемам. Эта стратегия поддерживает распределение запутанности, маршрутизацию и когерентность, что делает её критически важной для большинства операций.

Второй режим — это электрически возбуждаемый механический резонанс в режиме «дыхания», основанный на воздействии микроволн на наноструктуры, создающих пьезоэлектрическое воздействие. Эти микроволны изменяют частоту колебаний фотонов и оптические поля. Примечательно, что этот режим поддерживает высокие оптические мощности, что делает его идеальным для сложных квантовых вычислений.

Критерии производительности: стабильность и эффективность

Инженеры провели несколько тестов на радиочастотном анализаторе спектра, чтобы проверить выходные параметры чипа. Для этого команда установила чип на кронштейн, на котором лазерный источник был соединен с волоконно-оптическим интерферометром.

Другой конец устройства был подключен к акустооптическому частотному сдвигательу (АОФС). Инженеры пропускали свет через оба конца устройства, а затем объединяли его с помощью направленного ответвителя 50/50. Это позволяет направлять фотоны на анализатор спектра, повышая точность.

Новый чип достиг оптической мощности 730 Нм, что превосходит поставленную инженерами цель в 500 мВт. Кроме того, команда смогла оптимизировать геометрию устройства для дальнейшего улучшения оптомеханического взаимодействия. В ходе этого теста была выявлена ​​глубина модуляции, достигающая 4.85 рад при использовании всего лишь микроволнового излучения мощностью 80 мВт, установленного на частоте 2.31 ГГц.

Примечательно, что устройство продемонстрировало самые низкие потери частоты среди всех чипов на сегодняшний день. В частности, инженеры отметили, что новый чип в 15 раз стабильнее и в 100 раз эффективнее с точки зрения потребляемой мощности микроволнового излучения, чем используемые в настоящее время квантовые чипы.

Основные преимущества производства КМОП-технологий

Массовое производство фотонных чипов принесет рынку множество преимуществ. Во-первых, их можно будет изготавливать в огромных количествах, что позволит этой технологии перейти от эксклюзивного доступа к популярному вычислительному решению. Этот метод производства более экономичен и позволит инженерам создавать относительно небольшие квантовые компьютеры, объединяющие тысячи кубитов.

Проведите пальцем, чтобы прокрутить →

Этот метод изготовления впервые позволяет создавать идентичные версии этих высокотехнологичных, сложных устройств. Благодаря этому инженеры смогут создавать и распространять свои будущие проекты квантовых компьютеров среди широкой публики, используя уже существующие методы.

Маленький размер

Одно из главных преимуществ такой компоновки — её малый размер. Эти чипы, в 100 раз меньше человеческого волоса, способны поддерживать мощные квантовые компьютеры. В таких устройствах будут интегрированы тысячи кубитов, как, например, в компьютерах IBM. (IBM )Микросхема Condor, которая обрабатывает 1,121 кубит, имеет гораздо больший форм-фактор из-за большей толщины ламината.

Высокие эксплуатационные характеристики

Впечатляет то, что эти чипы могут обеспечить вычислительную мощность, сопоставимую с самыми передовыми современными машинами. Они способны поддерживать оптическую мощность более 500 мВт, что является текущим максимумом для высокопроизводительных квантовых вычислений. Кроме того, новая конструкция чипа обеспечивает большую оптическую мощность и точность при значительно меньшем энергопотреблении.

Более эффективным

Фазовая модуляция, используемая в этом подходе, требует значительно меньшей мощности микроволнового излучения по сравнению с предшественниками. В частности, инженеры отметили, что их устройство может выполнять квантовые действия, используя в 80 раз меньше энергии. Следовательно, оно выделяет гораздо меньше тепла, что позволяет использовать его с большим количеством микросхем для создания более мощных устройств.

Применение в реальном мире: сенсорика и сети

Эта технология имеет несколько применений. Очевидное применение — поддержка проектирования будущих квантовых компьютеров. Эти высокопроизводительные чипы достаточно малы, чтобы их можно было плотно разместить, и достаточно энергоэффективны, чтобы не вызывать проблем с перегревом в такой конфигурации.

Квантовое зондирование

Квантовые датчики обеспечивают гораздо более высокую точность по сравнению с традиционными датчиками. Они достигают этого за счет использования суперпозиции, квантовой запутанности и сжатия. Эти действия позволяют устройству точно измерять изменения магнитных полей, гравитации, времени, температуры и многого другого. Эти микросхемы могут помочь сделать такие датчики более доступными по цене.

Квантовые сети

Ещё одним ключевым применением являются квантовые сети. Эта технология использует квантовую запутанность для передачи данных с высокой скоростью. В частности, она использует квантовые пары Белла и телепортацию для передачи состояний без клонирования. Цель этой технологии — создание инфраструктуры для будущего квантового интернета.

Путь к коммерциализации: план на 7-10 лет.

Пройдет около 7-10 лет, прежде чем эта технология станет доступна широкой публике. Крайне важно, что именно эта технология производства станет движущим фактором в развитии квантовых технологий, но сначала ее необходимо усовершенствовать. Однако, при наличии подходящего партнера-производителя, стратегия низких затрат будет способствовать дальнейшей интеграции и внедрению.

Исследовательская группа и финансирование

Исследование фотонных чипов проводилось в Университете Колорадо в Боулдере при участии Национальных лабораторий Сандиа. В частности, в этой работе приняли участие Нильс Т. Оттерстром, Мэтт Эйхенфилд, Джейкоб М. Фридман, Мэтью Дж. Стори, Даниэль Домингес, Эндрю Линхир и Себастьян Магри.

Исследование получило финансовую и материальную поддержку от Министерства энергетики США в рамках программы Quantum Systems Accelerator, которая реализуется Национальным научно-исследовательским центром квантовых инициатив.

Цели будущих исследований

Теперь команда сосредоточится на создании интегрированных фотонных схем, способных превзойти прежние показатели производительности. Группа стремится улучшить возможности генерации частоты и фильтрации на чипе, а также подход к формированию импульсов для дальнейшего повышения производительности.

Кроме того, инженеры найдут стратегических партнеров, которые помогут внедрить их метод изготовления. Этот шаг подразумевает установление контактов с ведущими предприятиями по производству КМОП-микросхем и обеспечение выделения части их производственных площадей для разработки нового чипа.

Лучшие акции в сфере квантовых вычислений, за которыми стоит следить.

Сектор квантовых вычислений продолжает расширяться, и конкуренция с каждым месяцем усиливается. Сегодня ведущие разработчики квантовых компьютеров, производители микросхем и программисты продолжают выводить эту технологию на новый уровень, открывая двери для инноваций в вычислительной мощности. Вот одна компания, которая остается в авангарде этой революции.

IonQ (IONQ): Лидер в области систем с захваченными ионами.

ИонКью (IONQ ) Компания была основана в 2015 году с целью продвижения квантовых технологий. Ее основателями являются два эксперта в области квантовых вычислений, Кристофер Монро и доктор Чонсан Ким. Примечательно, что Монро сыграл ключевую роль в исследованиях квантовых систем и считается пионером в этой отрасли.

Компания IonQ внесла значительный вклад в развитие технологий, в том числе создала первый работающий чип на основе 5 ионов иттербия, использующий алгоритм Дойча-Йожи. Она также запустила первую коммерческую систему QCaaS с использованием захваченных ионов. Эти разработки помогли компании успешно привлечь 636 миллионов долларов инвестиций.

В настоящее время компания предлагает несколько высокотехнологичных квантовых продуктов, включая стоечную систему Aria на 32 кубита. Кроме того, компания заключила стратегические партнерства с AWS/Azure/Google Cloud и другими ведущими поставщиками облачных услуг.

Тем, кто ищет авторитетного поставщика решений в области квантовых вычислений с многолетним опытом, следует подробнее изучить компанию IonQ. В настоящее время рыночная капитализация компании составляет 16.3 млрд долларов. Примечательно, что в последнее время акции компании демонстрировали некоторую волатильность, достигнув максимума в 84.64 доллара и минимума в 17.88 доллара.

Последние новости и данные о состоянии акций IonQ (IONQ).

Заключение

Важность успешной разработки способа массового производства фотонных чипов невозможно переоценить. Эта технология лежит в основе развития квантовых вычислений и должна быть усовершенствована, прежде чем станет общедоступной. Эта последняя разработка, несомненно, снизит стоимость создания квантовых устройств, что, в свою очередь, обеспечит стабильное снабжение рынка чипами в будущем.

Узнайте о других интересных технологических прорывах в области компьютерных технологий. Здесь.

Референсы

^{1. Фридман, Дж. М., Стори, М. Дж., Домингес, Д., Линхир, А., Магри, С., Оттерстром, Н. Т., и Эйхенфилд, М. (2025). Акустооптическая фазовая модуляция видимого света на гигагерцовой частоте в фотонной схеме, изготовленной на основе КМОП-технологии. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}