Massproducerbara fotoniska chips kan låsa upp kvantskalning

Ingenjörer vid University of Colorado i Boulder har precis kommit fram till ett viktigt steg i införandet av kvantberäkningar – skalbarhet. Den extrema precision som krävs för att skapa kvantenheter 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, eftersom denna senaste utveckling använder traditionella CMOS-tillverkningsmetoder för att skapa stabila kvantchips som är mycket mindre och mer prisvärda än något som finns tillgängligt idag. Här är vad du behöver veta.

Kvantberäkning 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 att använda optiska fotoniska modulatorer.

Dessa enheter gör det möjligt för kvantdatorer att utnyttja fångade joner eller neutrala atomer som qubits. Dessa chips gör det möjligt för ingenjörer att styra en avstämbar laser mot qubits, som kommunicerar instruktioner för beräkningar via frekvensmoduleringar.

Skalbarhetsflaskhalsen: Varför massproduktion misslyckades

Det finns flera problem med de nuvarande tillverkningsmetoderna för kvantdatorer. Främst finns det inga problem när det gäller massproduktion. Dessa chip är så känsliga och precisa att de i de flesta fall måste byggas individuellt i laboratoriet. För närvarande bygger monteringsmetoden på att ingenjörer sätter ihop större delen av enheten för hand.

Dessutom integrerar dessa enheter högpresterande laserstrålar för att ge precisionsjusteringsmöjligheter till flera qubits. Därför måste de vara tillförlitliga och värmebeständiga, särskilt med tanke på att framtida kvantdatorer skulle kunna använda tusentals qubits.

Formfaktorgränser

Nuvarande kvantchips är för stora för att användas i de flesta tillämpningar. De kräver kryogen kylning, långa optiska vägar och qubit-design med utspridda utrymmen. Denna uppställning hjälper visserligen till att minska brus, men den gör dem extremt stora jämfört med traditionella datorchips.

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 allmänt tillgängligt om ungefär ett decennium. Följaktligen kommer dessa enheter att behöva krympas ner till en rimlig formfaktor innan de når storskalig användning.

Värme förstör kvanttillståndet

All 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 konfiguration. Kvantdatorer är dock beroende av att upprätthålla ett bräckligt kvanttillstånd för att utföra beräkningar. Det är därför de kräver kryogen kylning. Följaktligen kan värme göra dessa enheter obrukbara.

Genombrott: CMOS-kompatibla fotoniska kretsar

Studien "Gigahertz-frekvens akustooptisk fasmodulering av synligt ljus i en CMOS-tillverkad fotonisk krets,publicerad¹ i tidskriften Nature Communications, introducerar en helt ny metod för att producera optiska kvantchips.

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

Denna specialbyggda akustooptiska fasmodulator för gigahertzfrekvens kombinerar en piezoelektrisk omvandlare och en fotonisk vågledare, vilket minimerar formfaktorn samtidigt som våglängdsskalestrukturen bibehålls.

Optisk fasmodulator

Den uppgraderade optiska fasmodulatorn kan styra laserljus med hjälp av mikrovågsfrekvenser. Mikrovågorna får ljuset att exciteras och vibrera miljarder gånger per sekund, vilket möjliggör exakt anpassning, tillsammans med ökad stabilitet och effektivitet. Mer specifikt integrerar den akustooptiska modulatorn en fotonisk vågledare monterad på en piezoelektrisk givare.

CMOS-tillverkning möjliggör massproduktion

För att uppfylla de strikta storlekskraven bestämde sig ingenjörerna för att skapa enheten på en 200 mm wafer som sedan skars i 120 olika chip. Processen använde en piezo-optomekanisk aluminiumnitrid-SiNx-plattform, vilket gjorde det möjligt för ingenjörer att använda fasmodulering för att skapa gigahertzfrekvenssidband på en 730 nm laseringång.

Ännu mer imponerande är att de förlitade sig på standardtekniker för chiptillverkning för att skapa enheterna, vilket innebär att de kan massproduceras i framtiden, vilket öppnar dörren för mer tillgång till kvantberäkning.

När ingenjörerna diskuterade sin strategi talade de om hur CMOS-tillverkning är höjdpunkten inom skalbar teknik och hur det är avgörande för vidare användning av CMOS som ett sätt att skapa kvantchips.

Mer specifikt diskuterade ingenjörerna hur den här tekniken har möjliggjort många av dina favorit högteknologiska enheter, inklusive smartphones, bärbara datorer och andra enheter som du är beroende av dagligen. De förklarade hur den hjälpte till att sprida den här tekniken och hur den kommer att göra detsamma för framtidens kvantdrivna enheter.

Källa - Nature Communications

Dubbellägesdrift: Optisk och elektromekanisk

Det är värt att notera att den optiska fasmodulatorn kan fungera i två distinkta lägen. Det första är det utbredande optiska läget, som sprider och styr fotoniska vågledare på kretsar. Denna strategi stöder distribution, routing och koherens av sammanflätning, vilket gör den avgörande för de flesta operationer.

Det andra läget är elektriskt exciterbar mekanisk resonans i andningsläge, som förlitar sig på mikrovågor som appliceras på nanostrukturer och skapar piezoelektrisk aktivering. Dessa mikrovågor förändrar fotonoscillationshastigheter och optiska fält. Det är värt att notera att detta läge stöder höga optiska effekter, vilket gör det idealiskt för avancerade kvantberäkningar.

Prestandamått: Stabilitet och effektivitet

Ingenjörerna utförde flera tester på en radiofrekvensspektrumanalysator för att testa chipets utdata. För att utföra denna uppgift monterade teamet chipet på en arm som hade en laserkälla kopplad till en fiberinterferometer.

Den andra änden av enheten var ansluten till en akustooptisk frekvensskiftare (AOFS). Ingenjörerna skickade ljus genom båda ändarna av enheten och rekombinerade det sedan med hjälp av en 50/50 riktningskopplare. Detta gör att fotonerna kan riktas mot spektrumanalysatorn, vilket ökar noggrannheten.

Det nya chipet uppnådde en optisk effektklassning på 730 NM, vilket överträffar det mål på 500 mW som ingenjörerna satte upp. Dessutom kunde teamet finjustera enhetens geometri för att ytterligare förbättra den optomekaniska interaktionen. Detta test visade modulationsdjup som nådde 4.85 rad med endast en 80 mW mikrovågsugn inställd på 2.31 GHz.

Imponerande nog 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 vad gäller mikrovågseffektbehov än de kvantchip som används idag.

Viktiga fördelar med CMOS-tillverkning

Det finns många fördelar som massproducerade fotoniska chip kommer att ge marknaden. För det första kan de tillverkas i massiva antal, vilket gör att tekniken kan gå från exklusiv tillgång till ett populärt beräkningsalternativ. Denna tillverkningsmetod är mer överkomlig och skulle göra det möjligt för ingenjörer att skapa relativt små kvantdatorer som integrerar tusentals qubits.

Svep för att skrolla →

Denna tillverkningsmetod gör det möjligt att, för första gången, skapa identiska versioner av dessa högteknologiska, invecklade enheter. Denna förmåga innebär att ingenjörer kommer att kunna skapa och distribuera sina framtida kvantdatordesigner till massorna med hjälp av redan befintliga metoder.

Liten storlek

En av de största fördelarna med den här layouten är dess lilla storlek. Med sina 100 gånger mindre än ett mänskligt hårstrå kan dessa chip stödja kraftfulla kvantdatordesigner. Enheterna kommer att integrera tusentals qubits som IBMs. (IBM )Condor-chip, som hanterar 1 121 qubits men har en mycket större formfaktor på grund av det större laminatet.

High Performance

Imponerande nog skulle dessa chip kunna ge datorkraft i nivå med dagens mest avancerade maskiner. De kan stödja över 500 mW optisk effekt, vilket är den nuvarande toppnivån för avancerad kvantberäkning. Dessutom stöder den nya chipdesignen mer optisk effekt och precision samtidigt som den förbrukar betydligt mindre ström.

Mer effektiv

Fasmoduleringen som används i denna metod kräver betydligt mindre mikrovågseffekt jämfört med föregångare. Specifikt noterade ingenjörerna att deras enhet kan utföra kvantfunktioner med 80 gånger mindre energi. Följaktligen producerar den mycket mindre värme, vilket gör att den kan kopplas till fler chips för att skapa kraftfullare enheter.

Verkliga tillämpningar: Avkänning och nätverk

Det finns flera tillämpningar för denna teknik. Den uppenbara användningen kommer att vara att stödja framtida kvantdatordesign. Dessa högpresterande chip är tillräckligt små för att packas tätt ihop och tillräckligt energieffektiva för att inte skapa problem med överhettning i denna konfiguration.

Kvantavkänning

Kvantsensorer ger mycket större noggrannhet jämfört med traditionella sensorer. De utför denna uppgift genom att använda superposition, entanglement och pressning. Dessa åtgärder gör det möjligt för enheten att noggrant mäta förändringar i magnetfält, gravitation, tid, temperatur med mera. Dessa chip skulle kunna bidra till att göra dessa sensorer mer prisvärda.

Kvantnätverk

En annan viktig tillämpning är kvantnätverk. Denna teknik utnyttjar sammanflätning för att kommunicera data med höga överföringshastigheter. Mer specifikt använder den kvantklockpar och teleportering för att överföra tillstånd utan kloning. Målet med denna teknik är att en dag skapa en infrastruktur för kvantinternet.

Vägen till kommersialisering: En 7–10-årig färdplan

Det kommer att dröja cirka 7–10 år innan denna teknik når allmänheten. Avgörande är att denna tillverkningsteknik kommer att vara en drivande faktor för att driva på införandet av kvantteknologier, men först måste den fulländas. Men när man väl har samarbetat med rätt tillverkare kommer lågkostnadsstrategin att stödja ytterligare integration och implementering.

Forskningsgrupp och finansiering

University of Colorado i Boulder var värd för studien av fotoniska chip med deltagande från Sandia National Laboratories. Mer 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 ekonomiskt och materiellt stöd från det amerikanska energidepartementet genom Quantum Systems Accelerator-programmet, som arrangeras av National Quantum Initiative Science Research Center.

Framtida forskningsmål

Nu kommer teamet att sikta in sig på att skapa integrerade fotoniska kretsar som kan överträffa tidigare prestandamått. Gruppen strävar efter att förbättra sina frekvensgenererings- och filtreringsfunktioner för chip, tillsammans med sin pulsformningsmetod, för att ytterligare förbättra prestandan.

Dessutom kommer ingenjörerna att hitta strategiska partners som kan hjälpa dem att sätta sin tillverkningsmetod i drift. Detta steg innebär att de kontaktar de ledande CMOS-tillverkningsplatserna och säkrar en del av sin anläggning för denna nya chipdesign.

Bästa kvantberäkningsaktien att hålla koll på

Kvantberäkningssektorn fortsätter att expandera, och konkurrensen ökar varje månad. Dagens ledande kvantdatordesigners, chiptillverkare och programmerare fortsätter att ta denna teknik till nya höjder och öppnar dörren för innovationer inom beräkningskraft. Här är ett företag som ligger i framkant av denna revolution.

IonQ (IONQ): En ledare inom system med fångade joner

IonQ (IONQ ) lanserades 2015 för att driva kvanttekniken framåt. Företaget grundades av två kvantberäkningsexperter, Christopher Monroe och Dr. Jungsang Kim. Det är värt att notera att Monroe har varit central inom kvantstudier och anses vara en pionjär i branschen.

IonQ har bidragit till att förnya tekniken, inklusive att skapa det första fungerande 5-ytterbiumjonchipet som kör Deutsch-Jozsa-algoritmen. De lanserade också den första kommersiella QCaaS med fångade joner. Denna utveckling hjälpte företaget att framgångsrikt säkra 636 miljoner dollar.

För närvarande erbjuder företaget flera högkvalitativa kvantmekanikprodukter, inklusive deras rackmonteringssystem Aria med 32 qubits. Dessutom har företaget säkrat strategiska partnerskap med AWS/Azure/Google Cloud och andra ledande molnleverantörer.

De som söker en ansedd leverantör av kvantberäkningar med många års erfarenhet bör överväga att undersöka IonQ mer. Företaget har för närvarande ett börsvärde på 16.3 miljarder dollar. Det är värt att notera att aktien har upplevt en viss volatilitet på senare tid, med en högsta nivå på 84.64 dollar och en lägsta nivå på 17.88 dollar.

Senaste IonQ (IONQ) aktienyheter och resultat

Slutsats

Vikten av att framgångsrikt utveckla ett sätt att massproducera fotoniska chip kan inte underskattas. Denna teknik är kärnan i kvantberäkningsutvecklingen och kommer att behöva finslipas innan tekniken blir allmänt tillgänglig. Denna senaste utveckling kommer säkerligen att minska kostnaderna för att skapa kvantkomponenter, vilket i sin tur bör ge en stabil tillgång till chip till marknaden i framtiden.

Läs om andra coola genombrott inom datorteknik Här.

Referensprojekt

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