Kvantgenombrott: Världens första hybridkvant‑fotoniska chip

Med investeringar som skjuter i höjden och genombrott som multipliceras är kvantteknik närmare än någonsin att bli en verklighet. 

Enligt McKinsey är de tre huvudpelarna för kvantteknik, som är kvantdatorer, kvantkommunikation och kvantsensorer, tillsammans kan generera så mycket $97 miljarder i intäkter världen över inom det kommande decenniet. 

Tekniken behandlar principerna för kvantmekanik för att skapa innovativa teknologier som överträffar klassiska teknologiers kapacitet.

Ett av de lovande sätten att utveckla kvantteknologier är genom fotonik. Detta beror på dess naturliga kompatibilitet med optiska anslutningar för sammanflätning, dess robusthet mot decoherens vid rumstemperatur och dess förmåga att minskas till ett chipformat.

Fotonik är vetenskapen om ljus (fotoner) och behandlar generering, detektion och manipulation av ljus för olika tillämpningar.

För kvant‑fotoniska system erbjuder kisel‑fotonik den mest skalbara plattformen. De kan byggas med hjälp av halvledartillverkningstekniker som utvecklats i den kompletterande metall‑oxid‑semikondutor (CMOS) mikroelektronikindustrin, som redan producerar chip i stor skala.

Även om kisel‑fotonik snart kan användas för att skapa enorma mängder fysiska qubits, som krävs för att uppnå användbar kvantinformationbehandling i miniatyriserade optiska enheter för att generera och manipulera kvanttillstånd av ljus, innebär faktiskt konstruktion av dessa integrerade kisel‑kvant‑fotoniska kretsar allvarliga utmaningar.

Problemen är relaterade till termisk korsprat, fria bärare och självuppvärmnings icke‑linjäriteter, samt behovet av att hantera extrem känslighet för variationer i temperatur och process. 

Problemet är att för att kisel‑kvant‑fotoniska enheter ska fungera korrekt krävs kontinuerlig övervakning samt styrning av elektroniska kretsar. Så har skrymmande externt elektronik använts, vilket delvis löser problemen, men det innebär också att många fördelar med en chip‑skala plattform förloras. 

För att förverkliga den fulla potentialen hos kisel‑fotonik som plattform för kvantinformationbehandling måste vi lösa den klassiska kontrollflaskhalsen.

Så har ett tvärvetenskapligt forskarlag introducerat ett elektron‑fotoniskt kvantsystem på chip. Det är tillverkat i en kommersiell 45‑nm CMOS mikroelektronikfabrik.

Detta är världens första hybridchip som kombinerar elektronik, fotonik och kvantkraft. 

Användningen av CMOS gör forskningen ännu mer lovvärd. Denna halvledarteknik är hörnstenen i modern elektronik. Företag som Samsung, Sony, Intel (INTC ) och TSMC använder den för massproduktion av elektronik.

45 nm‑noden är samtidigt beprövad och kostnadseffektiv. Den är också kompatibel med den breda infrastrukturen för kiselproduktion.

Deras fullt integrerade, modulära kontrollmetod, enligt teamet, “banar vägen för kisel‑kvant‑fotonik att uppnå den massiva skala som krävs för framtida generationer av kvantinformationssystem.”

Tvärvetenskapligt samarbete driver kvantteknik närmare verkligheten

Den senaste studien, som markerar ett stort genombrott inom kvantteknik, genomfördes av forskare från UC Berkeley, Boston University och Northwestern University.

“Den typ av tvärvetenskapligt samarbete som detta arbete krävde är exakt det som behövs för att föra kvantsystem från laboratoriet till skalbara plattformar. Vi hade inte kunnat göra detta utan de kombinerade insatserna inom elektronik, fotonik och kvantmätning.”

– Prem Kumar, professor i elektroteknik och datorteknik vid Northwestern

Forskningen stöddes av National Science Foundation. Publicerad i Nature Electronics, studien beskriver systemet som framgångsrikt har integrerat kvantljuskällor och stabiliserande elektronik på ett enda kiselchip, tillverkat med den standardiserade 45‑nm halvledarprocessen.

Denna kombination är det som möjliggör att chipet kontinuerligt genererar strömmar av korrelerade fotonpar, vilka är grunden för olika kvantapplikationer.

Varje kiselchip har en array av ”kvantljusfabriker”, totalt tolv oberoende kvantljuskällor som drivs av laserljus. De förlitar sig också på mikroringresonatorer för att generera fotonpar. Varje av dessa källor har en dimension på mindre än en millimeter i varje riktning.

Detta markerar ett stort steg mot utvecklingen av mer komplexa kvantsystem bestående av flera sammankopplade chip och massproduktion av ”kvantljusfabrik”-chip. Enligt seniorstudieförfattaren Miloš Popović, som är docent i elektroteknik och datorteknik vid BU:

“Kvantberäkning, kommunikation och sensning är på en årtionden lång resa från koncept till verklighet. Detta är ett litet steg på den vägen—men ett viktigt, eftersom det visar att vi kan bygga repeterbara, kontrollerbara kvantsystem i kommersiella halvledarfabriker.”

För närvarande, i de tidiga utvecklingsstadierna, skiljer sig kvantteknik från befintliga datorer, som använder klassiska bitar som är antingen noll eller ett, genom att utnyttja kvantbitar (qubits).

Dessa qubits kan existera i en superposition av båda tillstånden samtidigt, vilket möjliggör att kvantdatorer utför beräkningar parallellt, vilket i sin tur leder till enorma hastighetsökningar. Här är superposition existensen av ett kvantsystem i flera tillstånd på en gång.

Knakka skalbarhetskoden med realtids självjustering

Nu finns det olika sätt som kvantteknik kan tillämpas, och fotonik är ett av dem, där en kontrollerad ljusström, enskilda fotoner eller sammanflätade fotonpar krävs för att utföra sin funktion. 

Dessa stabila strömmar av kvantljus genereras med hjälp av enheter som mikroringresonatorer och kvantprickar.

Mikroringresonatorer är noggrant konstruerade fotoniska enheter som möjliggör generering av kvanttillstånd av ljus på ett chip. Dessa är väsentliga komponenter i kisel‑fotonik, eftersom de erbjuder ett mycket effektivt sätt att leda ljus på nanometerskala. Detta uppnås genom att slinga ljuset i en cirkel för att nå en målvåglängd (resonans).

För att generera strömmar av kvantljus i form av korrelerade fotonpar måste mikroringresonatorerna justeras i synk med det inkommande laserljuset som driver varje kvantljusfabrik på chipet. Det används också som bränsle för genereringsprocessen.

Resonatorerna är dock mycket känsliga för variationer i temperatur och tillverkning. Detta kan göra att de hamnar ur synk och stör den stabila genereringen av kvantljus.

För att förhindra störningar i ljusgenereringen när resonatorer skjuts ur synk byggde teamet ett integrerat system som aktivt stabiliserar kvantljuskällor på chipet, särskilt resonatorerna som genererar strömmar av korrelerade fotoner. Dessa ljuskällor finns i varje chip och arbetar parallellt. 

“Det som mest entusiasmerar mig är att vi inbäddade kontrollen direkt på chipet — stabiliserade en kvantprocess i realtid. Det är ett kritiskt steg mot skalbara kvantsystem.”

– Anirudh Ramesh, doktorand vid Northwestern som ledde kvantmätningarna

Intressant nog är den extrema känsligheten hos mikroringresonatorerna faktiskt grunden för kvantljuskällor, den egentliga anledningen till att kvantljusströmmar kan genereras effektivt och på ett minimalt chipområde. Dock kan även små temperaturförändringar påverka fotonpargenereringsprocessen avsevärt.

För att övervinna detta problem implementerade forskarna ett realtidskontrollsystem direkt på chipet. De integrerade fotodioder i varje resonator på ett specifikt sätt, vilket möjliggör övervakning av prestanda, särskilt justeringen med det inkommande laserljuset, samtidigt som kvantljusgenereringen bevaras.

Samtidigt justerar miniatyrvärmare och styrlogik på chipet ständigt resonansen som svar på drift. Så även när förhållandena fluktuerar, upprätthåller denna inbyggda återkopplingsslinga kvantljusgenereringsprocessen, vilket får enheten att bete sig förutsägbart.

Självjusteringen möjliggör att alla tolv resonatorer arbetar tillsammans i perfekt synk, utan behov av skrymmande stabiliseringsutrustning. Detta är en viktig punkt, eftersom det är ett nyckelkrav för att skala upp kvantsystem. Enligt Imbert Wang, doktorand vid Boston University som ledde designen av den fotoniska enheten:

“En nyckelutmaning i förhållande till vårt tidigare arbete var att driva fotonikdesignen för att möta de krävande kraven inom kvantoptik samtidigt som vi höll oss inom de strikta begränsningarna för en kommersiell CMOS-plattform. Det möjliggjorde en samdesign av elektronik och kvantoptik som ett enhetligt system.”

Hela systemet tillverkades på en kommersiell 45‑nm CMOS chipplattform utvecklad genom ett samarbete mellan BU, UC Berkeley, GlobalFoundries (GFS ) och Ayar Labs. Startup-företaget Ayar Labs är involverat i att skapa teknik för chip som använder ljuspulser och har säkrat 155 miljoner dollar i riskkapital från AMD Ventures, Intel Capital och Nvidia (NVDA ) till ett värde av 1 miljard dollar, vilket “lägger grunden för massproduktion”.

Tillverkningsprocessen möjliggör avancerade optiska anslutningar för AI och superdatorer, och nu komplexa kvant‑fotoniska system på en skalbar kiselplattform.

“Vårt mål var att visa att komplexa kvant‑fotoniska system kan byggas och stabiliseras helt inom ett CMOS-chip. Det krävde tät samordning över domäner som vanligtvis inte kommunicerar med varandra.”

– Daniel Kramnik, doktorand vid UC Berkeley som ledde chipdesign, paketering och integration

Chipets beroende av de tekniker som redan används innebär att det inte behövs nya uppsättningar, vilket i sin tur banar vägen för skalbar kvantberäkning.

Investering i kvantsystem 

Världen av kvantteknik gör snabba framsteg och närmar sig verkligheten för varje år som går. Här är International Business Machines (IBM ) bland dem som leder området, särskilt inom kvantdatorer. Nyligen släppte forskare från IBM® och kvantstartupen Pasqal ett white paper, där de redogjorde för definitionen av kvantfördel, hur påståendena kan vetenskapligt valideras och sätt att uppnå det.

International Business Machines (IBM )

Denna månad samarbetade IBM Quantum även med Moderna för att modellera mRNA-struktur med kvantsimulering. För detta använde de 80 qubits från en IBM Quantum Heron-processor, som körde en specialiserad algoritm med målet att “förbättra mänsklig hälsa.”

“Vi tror att det är kritiskt att utforska varje tillgängligt verktyg, inklusive kvantdatorer, för att skala vår utveckling idag, snarare än att vänta på att teknologin ska bli fullt mogen i framtiden.”

– Alexey Galda, associerad vetenskaplig direktör för kvantalgoritmer och -applikationer på Moderna

Förra månaden gjorde IBM också ett stort tillkännagivande att de bygger världens första storskaliga kvantdator som de förväntar sig leverera till kunder år 2029.

Den feltoleranta kvantdatorn kallad IBM Starling kommer att vara 20 000 gånger kraftfullare än befintliga kvantdatorer och “skulle kräva minnet av mer än en kvindecillion av världens mest kraftfulla superdatorer.”

Enligt företagets färdplan kommer ankomsten av Starling att följa flera milstolpar, inklusive den första demonstrationen av ‘kvantfördel’ nästa år, där kvantdatorer kommer att börja överträffa klassiska datorer i praktiska beräkningsapplikationer.

Men innan dess kommer IBM Quantum Loon att debutera senare i år tillsammans med sin Nighthawk-chip. Och någon gång nästa år kommer IBM Quantum Kookaburra att följa, med företagets första modulära processor för att lagra och bearbeta kodad information. Därefter kommer IBM Quantum Cockatoo att lanseras året därpå, vars arkitektur “kommer att länka kvantchip tillsammans som noder i ett större system, och undvika behovet av att bygga opraktiskt stora chip.”

Dessa lanseringar kommer i slutändan leda till lanseringen av Starling innan decenniet är över. Denna innovation hoppas kunna köra “100 miljoner kvantoperationer med 200 logiska qubits.”

Med Starling syftar IBM till att lösa verkliga utmaningar, något som kvantteknik ännu inte har uppnått. Enligt VD Arvind Krishna kommer deras kvantdator också att “låsa upp enorma möjligheter för affärsverksamhet.”

Enligt färdplanen sträcker sig IBMs mål för kvantdatorer bortom Starling. Blue Jay kommer att vara den andra generationens feltoleranta kvantberäknings-ISA, som förväntas komma först efter 2033. Vid den tidpunkten kan beräkningsplattformen skala upp till 1 miljard grindar och 2 000 logiska qubits.

När det gäller marknadsresultatet för IBM med ett börsvärde på 262 miljarder dollar, som är en leverantör av global hybridmoln, AI och konsultkompetens, handlas dess aktier för närvarande över 265 dollar, upp 28,29 % år‑till‑datum. Företaget betalar en utdelningsavkastning på 2,38 %.

Senast rapporterade företaget sina Q2‑2025-resultat, som visade en 8 % ökning i intäkter till 17 miljarder dollar, 6,1 miljarder dollar i netto kassaflöde från verksamheten och fritt kassaflöde på 4,8 miljarder dollar.

“Vi överträffade återigen förväntningarna för intäkter, vinst och fritt kassaflöde under kvartalet. IBM förblir starkt differentierat på marknaden på grund av vår djupa innovation och domänexpertis, båda avgörande för att hjälpa kunder att implementera och skala AI. Vår portfölj för generativ AI fortsätter att accelerera och uppgår nu till mer än 7,5 miljarder dollar.”

– VD Krishna

Senaste International Business Machines (IBM) aktienyheter och utvecklingar

Slutsats

Kvantteknik utvecklas snabbt och går från ett koncept till en skalbar industri, drivet av genombrott som hybridkvant‑elektron‑fotoniska chip. 

Genom att integrera kvantljuskällor, stabiliserande elektronik och skalbar tillverkning i ett enda chip har studien optimalt skapat en färdplan för den kvanta framtiden. Och när kvant‑fotoniska system gör framsteg kan de senaste hybridchippen bli grunden för teknologier som avancerad sensning, säkra kommunikationsnätverk och kvantdatorer.

Med IBM som bygger massiva kvantprocessorer är tiderna verkligen spännande, och nästa decennium ser ut att bli avgörande för att kvantdatorer äntligen levererar verklig påverkan.

Klicka här för en lista över de främsta kvantdatorföretagen år 2025.

Referenser:

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. Skalbar återkopplingsstabilisering av kvantljuskällor på ett CMOS-chip. Nature Electronics, 8, (2025). Publicerad 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. Ett ramverk för kvantfördel. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Publicerad online 14 juli 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658