Massproducerbara fotoniska chip kan låsa upp kvantumskalning

Ingenjörer vid University of Colorado at Boulder har precis löst ett nyckelsteg i antagandet av kvantdatorer – skalbarhet. Den extrema precision som krävs för att skapa kvantumapparater har inte kunnat reproduceras i stor skala, vilket innebär att deras kostnader fortfarande är utom räckhåll för majoriteten av människor.

Lyckligtvis kommer denna situation att förändras under de kommande åren då den senaste utvecklingen utnyttjar traditionella CMOS-tillverkningsmetoder för att skapa stabila kvantchip som är mycket mindre och prisvärda jämfört med allt som finns tillgängligt idag. Här är vad du behöver veta.

Kvant vs. klassisk databehandling: den fotoniska skillnaden

Till skillnad från traditionella datorer använder kvantdatorer inte bitar och traditionella chip. Istället förlitar de sig på kvantsuperposition och qubits för att lösa beräkningar. Ett av de mest populära sätten att bygga kvantdatorer kretsar kring användning av optiska fotoniska modulatorer.

Dessa enheter möjliggör för kvantdatorer att utnyttja fångade joner eller neutrala atomer som qubits. Dessa chip låter ingenjörer rikta en justerbar laser mot qubits, som kommunicerar driftinstruktioner för beräkningar via frekvensmoduleringar.

Skalningsflaskhalsen: varför massproduktion misslyckades

Det finns flera problem med de nuvarande tillverkningsmetoderna för kvantdatorer. I första hand finns det inga när det gäller massproduktion. Dessa chip är så känsliga och precisa att de i de flesta fall måste byggas i laboratorium på individuell basis. För närvarande förlitar sig monteringsmetoden på att ingenjörer sätter ihop mest av enheten för hand.

Dessutom integrerar dessa enheter högkraftslaserstrålar för att tillhandahålla precisionsinställningsmöjligheter till flera qubits. Därför måste de vara pålitliga och värmebeständiga, särskilt när man beaktar att framtida kvantdatorer kan använda tusentals qubits.

Begränsningar i formfaktor

Nuvärande kvantchip är för stora för att användas i de flesta tillämpningar. De kräver kryogen kylning, långa optiska vägar och utspridda qubitdesigner. Denna uppsättning hjälper faktiskt till att minska brus, men den gör dem extremt stora jämfört med traditionella datorkip.

Dessutom kommer framtida generationer av kvantdatorer att använda fler qubits, vilket innebär att de mest avancerade kvantdatorerna idag fortfarande bara är en droppe i havet jämfört med vad som kommer att vara offentligt tillgängligt om ett decennium eller så. Följaktligen måste dessa enheter krympas till en rimlig formfaktor innan de uppnår storskalig adoption.

Värme förstör det kvantmässiga tillståndet

All den laserenergi som används för att kommunicera med qubits är ett annat problem, eftersom den skapar mycket värme. Värme har alltid varit problematiskt för datorer, oavsett deras uppsättning. Kvantdatorer förlitar sig dock på att upprätthålla ett skört kvanttillstånd för att utföra beräkningar. Därför kräver de kryogen kylning. Följaktligen kan värme göra dessa enheter obrukbara.

Genombrott: CMOS-kompatibla fotoniska kretsar

Studien “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit,” publicerad¹ i tidskriften Nature Communications introducerar ett helt nytt tillvägagångssätt för att producera optiska kvantchip.

Den nya processen ses av många som det första steget mot den fotoniska datorrevolutionen. Enheten, som är 100 gånger tunnare än ett hårstrå, integrerar modulära teknologier för att skapa en ny nivå av effektivitet och stabilitet.

Den här specialbyggda gigahertz-frekvens akusto‑optiska fasmodulatorn kombinerar en piezoelektrisk transducer och en fotonisk vågledare, vilket minimerar formfaktorn samtidigt som den behåller en våglängdsskala struktur.

Optisk fasmodulator

Den uppgraderade optiska fasmodulatorn kan kontrollera laserljus med hjälp av mikrovågsfrekvenser. Mikrovågorna får ljuset att exciteras och vibrera miljarder gånger per sekund, vilket möjliggör exakt justering samt ökad stabilitet och effektivitet. Specifikt integrerar den akusto‑optiska modulatorn en fotonisk vågledare monterad på en piezoelektrisk transducer.

CMOS-tillverkning möjliggör massproduktion

För att uppfylla de strikta storlekskraven beslutade ingenjörerna att skapa enheten på en 200 mm wafer som sedan skars upp i 120 olika chip. Processen använde en piezo‑optomekanisk aluminiumnitrat‑SiNx‑plattform, vilket möjliggjorde för ingenjörerna att utnyttja fasmodulering för att skapa gigahertz‑frekvens sidoband på en 730 nm laserindata.

Ännu mer imponerande är att de förlitade sig på standardtekniker för chip-tillverkning för att skapa enheterna, vilket betyder att de kan massproduceras i framtiden och öppnar dörren för ökad tillgång till kvantdatorer.

När de diskuterade sitt tillvägagångssätt talade ingenjörerna om hur CMOS-tillverkning är toppen av skalbar teknik och hur användandet av den för att skapa kvantchip är avgörande för vidare adoption.

Specifikt diskuterade ingenjörerna hur denna teknik har gjort många av dina favorit‑high‑tech‑enheter möjliga, inklusive smartphones, bärbara datorer och andra enheter som du förlitar dig på dagligen. De förklarade hur den hjälpte till att sprida denna teknik och hur den kommer att göra detsamma för framtida kvantdrivna enheter.

Källa – Nature Communications

Dubbel‑läges drift: optisk och elektromechanisk

Noterbart kan den optiska fasmodulatorn operera i två distinkta lägen. Det första är det propagerande optiska läget, som sprider och styr fotoniska vågledare på kretsar. Denna strategi stödjer fördelning av intrassling, routning och koherens, vilket gör den avgörande för de flesta operationer.

Det andra läget är ett elektriskt exciterbart andnings‑läges mekaniskt resonans, som förlitar sig på mikrovågor applicerade på nanostrukturer, vilket skapar piezoelektrisk aktuation. Dessa mikrovågor förändrar fotonoscilleringshastigheter och optiska fält. Noterbart stödjer detta läge höga optiska effekter, vilket gör det idealiskt för avancerade kvantberäkningar.

Prestandamått: stabilitet och effektivitet

Ingenjörerna genomförde flera tester på en radiofrekvensspektroanalysator för att testa chipets utsignal. För att utföra detta monterade teamet chipet på en arm som hade en lasers källa kopplad till en fiberinterferometer.

Den andra änden av enheten var ansluten till en akusto‑optisk frekvensskiftare (AOFS). Ingenjörerna ledde ljus genom båda ändarna av enheten och kombinerade sedan det med en 50/50 riktningskopplare. Detta möjliggör att fotonerna riktas mot spektroanalysatorn, vilket ökar noggrannheten.

Det nya chipet uppnådde en optisk effektklassning på 730 nm, vilket överträffar det 500 mW-mål som ingenjörerna satte. Dessutom kunde teamet justera enhetens geometri för att ytterligare förbättra optomekanisk interaktion. Detta test avslöjade modulationsdjup på upp till 4,85 rad med endast en 80 mW mikrovåg inställd på 2,31 GHz.

Imponerande registrerade enheten den lägsta frekvensförlusten av alla chip hittills. Specifikt noterade ingenjörerna att det nya chipet var 15 gånger mer stabilt och 100 gånger mer effektivt när det gäller mikrovågsenergi jämfört med de nuvarande kvantchip som används.

Viktiga fördelar med CMOS-tillverkning

Det finns många fördelar som massproducerade fotoniska chip kommer att ge till marknaden. För det första kan de tillverkas i enorma mängder, vilket möjliggör att teknologin går från exklusiv åtkomst till ett populärt databeräkningsalternativ. Denna tillverkningsmetod är mer prisvärd och skulle möjliggöra för ingenjörer att skapa relativt små kvantdatorer som integrerar tusentals qubits.

Svep för att rulla →

Denna tillverkningsmetod kan för första gången skapa identiska versioner av dessa högteknologiska, komplexa enheter. Denna förmåga innebär att ingenjörer kommer att kunna skapa och distribuera sina framtida kvantdator‑designer till massorna med redan befintliga metoder.

Liten storlek

En av de största fördelarna med denna layout är dess lilla storlek. På 100 gånger mindre än ett mänskligt hår kan dessa chip stödja kraftfulla kvantdator‑designer. Dessa enheter kommer att integrera tusentals qubits som IBMs (IBM )Condor‑chip, som hanterar 1 121 qubits men har en mycket större formfaktor på grund av den större laminaten.

Hög prestanda

Imponerande kan dessa chip leverera beräkningskraft på nivå med dagens mest avancerade maskiner. De kan stödja över 500 mW optisk effekt, vilket är det nuvarande toppvärdet för högpresterande kvantdatorer. Dessutom stödjer den nya chipdesignen mer optisk effekt och precision samtidigt som den förbrukar mycket mindre energi.

Mer effektiv

Fasmoduleringen som används i detta tillvägagångssätt kräver avsevärt mindre mikrovågsenergi jämfört med föregångare. Specifikt noterade ingenjörerna att deras enhet kan utföra kvantåtgärder med 80 gånger mindre energi. Följaktligen producerar den mycket mindre värme, vilket möjliggör att den kan kopplas ihop med fler chip för att skapa kraftfullare enheter.

Verkliga tillämpningar: avkänning och nätverk

Det finns flera tillämpningar av denna teknik. Den uppenbara användningen kommer att vara att stödja framtida kvantdatorsdesign. Dessa högpresterande chip är tillräckligt små för att packas tätt tillsammans och energisnåla nog för att inte skapa överhettningsproblem i denna konfiguration.

Kvantavkänning

Kvantavkännare ger avsevärt högre noggrannhet jämfört med traditionella sensorer. De uppnår detta genom att utnyttja superposition, intrassling och kompression. Dessa handlingar gör att enheten kan exakt mäta förändringar i magnetfält, gravitation, tid, temperatur och mer. Dessa chip kan hjälpa till att göra dessa sensorer mer prisvärda.

Kvantnätverk

En annan nyckeltillämpning är kvantnätverk. Denna teknik utnyttjar intrassling för att kommunicera data med höga överföringshastigheter. Specifikt använder den kvant‑Bell‑par och teleportation för att överföra tillstånd utan kopiering. Målet med denna teknik är att en dag skapa en infrastruktur för det kvantbaserade internet.

Vägen till kommersialisering: 7‑10‑årsplanen

Det kommer att ta omkring 7‑10 år innan denna teknik når allmänheten. Avgörande är att denna tillverkningsteknik blir en drivkraft för att driva adoptionen av kvantteknologier, men först måste den förfinas. När den väl har ett samarbete med rätt tillverkare kommer den låga kostnadsstrategin att stödja vidare integration och adoption.

Forskarteam och finansiering

University of Colorado at Boulder var värd för studien om fotoniska chip med deltagande från Sandia National Laboratories. Specifikt bidrog Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer och Sebastian Magri till detta arbete.

Studien fick finansiellt och materiellt stöd från USA:s energidepartement genom Quantum Systems Accelerator‑programmet, som är värd av National Quantum Initiative Science Research Center.

Framtida forskningsmål

Nu kommer teamet att rikta in sig på att skapa integrerade fotoniska kretsar som kan överträffa tidigare prestandamått. Gruppen strävar efter att förbättra chipets frekvensgenerering och filtreringskapacitet, samt sin pulsgestaltning, för att ytterligare förbättra prestanda.

Dessutom kommer ingenjörerna att hitta strategiska partners för att hjälpa till att sätta deras tillverkningsmetod i drift. Detta steg innebär att kontakta de ledande CMOS‑tillverkningsanläggningarna och säkra en del av deras fabrik för denna nya chipdesign.

Toppaktier inom kvantdatorer att hålla utkik efter

Sektorn för kvantdatorer fortsätter att expandera, med konkurrensen som ökar varje månad. Dagens ledande kvantdatorsdesigners, chip‑tillverkare och programmerare fortsätter att driva tekniken till nya höjder, vilket öppnar dörren för innovationer i beräkningskraft. Här är ett företag som förblir i framkant av denna revolution.

IonQ (IONQ): En ledare inom fångade‑jon‑system

IonQ (IONQ ) lanserades 2015 för att driva kvantteknik framåt. Företaget grundades av två experter inom kvantdatorer, Christopher Monroe och Dr. Jungsang Kim. Noterbart har Monroe varit avgörande i kvantstudier och betraktas som en pionjär i branschen.

IonQ har bidragit till att innovera tekniken, inklusive att skapa det första operativa 5‑ytterbium‑jon‑chipet som kör Deutsch‑Jozsa‑algoritmen. De lanserade också den första kommersiella fångade‑jon‑QCaaS. Dessa utvecklingar hjälpte företaget att framgångsrikt säkra 636 M$.

För närvarande erbjuder företaget flera högkvalitativa kvantprodukter, inklusive deras Aria 32‑qubit rack‑mount‑system. Dessutom har företaget säkrat strategiska partnerskap med AWS/Azure/Google Cloud och andra ledande molnleverantörer.

De som söker en ansedd leverantör av kvantdatorer med flera års erfarenhet bör överväga att göra mer research om IonQ. Företaget har för närvarande ett börsvärde på 16,3 Mrd $. Noterbart har aktien upplevt viss volatilitet nyligen, med ett högsta värde på 84,64 $ och ett lägsta på 17,88 $.

Senaste nyheter och prestanda för IonQ (IONQ)-aktien

Slutsats

Vikten av att framgångsrikt utveckla ett sätt att massproducera fotoniska chip kan inte överskattas. Denna teknik är kärnan i expansionen av kvantdatorer och måste förfinas innan den blir allmänt tillgänglig. Den senaste utvecklingen kommer utan tvekan att minska kostnaderna för att skapa kvantapparater, vilket i sin tur bör ge en stabil tillgång på chip till marknaden i framtiden.

Läs om andra coola genombrott inom datorteknik Här.

Referenser

^{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}