Maaaring Buksan ng Mass-Produsibleng Photonic Chips ang Quantum Scaling

Ang mga inhinyero ng University of Colorado at Boulder ay kamakailan lamang nakahanap ng isang mahalagang hakbang sa pag-aampon ng quantum computing – scalability. Ang napaka-tumpak na precision na kinakailangan upang lumikha ng mga quantum device ay hindi pa naipaproduce sa malawak na sukat, kaya’t ang kanilang mga gastos ay nananatiling lampas sa abot ng karamihan.

Thankfully, this situation is set to change in the coming years as this recent development utilizes traditional CMOS fabrication methods to create stable quantum chips that are much smaller and affordable than anything available today. Here’s what you need to know.

Quantum vs. Classical Computing: Ang Photonic na Pagkakaiba

Hindi tulad ng tradisyonal na mga computer, ang mga Quantum computer ay hindi gumagamit ng bits at tradisyonal na chips. Sa halip, umaasa sila sa quantum superposition at qubits upang lutasin ang mga kalkulasyon. Isa sa mga pinakapopular na paraan upang bumuo ng quantum computers ay ang paggamit ng optical photonic modulators.
Ang mga device na ito ay nagbibigay-daan sa mga quantum computer na gamitin ang trapped ions o neutral atoms bilang qubits. Pinapayagan ng mga chip na ito ang mga inhinyero na mag-gabay ng tunable laser sa mga qubits, na nag-uusap ng mga operating instruction para sa mga kalkulasyon sa pamamagitan ng frequency modulations.

The Scalability Bottleneck: Bakit Nabigo ang Mass Production

May ilang problema sa kasalukuyang mga pamamaraan ng paggawa para sa mga quantum computer. Pangunahin, wala itong kakayahan sa mass production. Ang mga chip na ito ay napaka-sensitibo at tumpak na kailangan nilang gawin sa laboratoryo nang indibidwal sa karamihan ng mga pagkakataon. Sa kasalukuyan, ang paraan ng pag-assemble ay umaasa sa mga inhinyero na manu-manong buuin ang karamihan ng device.
Dagdag pa rito, ang mga device na ito ay nag-iintegrate ng high-power laser beams upang magbigay ng precision tuning capabilities sa maraming qubits. Dahil dito, kailangan nilang maging maaasahan at heat-resistant, lalo na kapag iniisip na ang mga hinaharap na quantum computer ay maaaring gumamit ng libu-libong qubits.

Form Factor Limits

Ang kasalukuyang mga quantum chip ay masyadong malaki upang magamit sa karamihan ng mga aplikasyon. Kailangan nila ng cryogenic cooling, mahabang optical paths, at spaced-out na disenyo ng qubit. Ang setup na ito ay talagang tumutulong upang mabawasan ang ingay, ngunit ginagawa nitong napakalaki kumpara sa tradisyonal na computer chips.
Dagdag pa rito, ang mga susunod na henerasyon ng quantum computer ay gagamit ng mas maraming qubits, ibig sabihin ang pinaka-advanced na quantum computers ngayon ay isang patak pa lamang kumpara sa kung ano ang magiging available sa publiko sa loob ng isang dekada o higit pa. Dahil dito, kailangang paliitin ang mga device na ito sa isang makatwirang form factor bago nila makamit ang malawakang pag-aampon.

Heat Destroys the Quantum State

Ang lahat ng laser energy na ginagamit upang makipag-ugnayan sa mga qubits ay isa pang isyu, dahil nagdudulot ito ng maraming init. Palagi nang naging problema ang init para sa mga computer, anuman ang kanilang setup. Gayunpaman, ang mga quantum computer ay umaasa sa pagpapanatili ng isang marupok na quantum state upang magsagawa ng mga kalkulasyon. Kaya’t kailangan nila ng cryogenic cooling. Bilang resulta, maaaring gawing hindi gumagana ng init ang mga device na ito.

Breakthrough: CMOS-Compatible Photonic Circuits

Ang pag-aaral na “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit,” ​​published¹ sa journal na Nature Communications, ay nagpakilala ng ganap na bagong pamamaraan para sa paggawa ng optical quantum chips.

Ang bagong proseso ay nakikita ng marami bilang unang hakbang patungo sa photonic computer revolution. Ang device, na 100x mas manipis kaysa sa isang hibla ng buhok, ay nag-iintegrate ng modular technologies upang lumikha ng bagong antas ng efficiency at stability.

Ang purpose-built gigahertz-frequency acousto-optic phase modulator ay pinagsasama ang isang piezoelectric transducer at isang photonic waveguide, na nagbabawas ng form factor habang pinapanatili ang wavelength-scale na estruktura.

Optical Phase Modulator

Ang upgraded optical phase modulator ay maaaring kontrolin ang laser light gamit ang microwave frequencies. Ang mga microwave ay nagiging sanhi ng pag-excite ng ilaw at pag-vibrate nito ng bilyong beses kada segundo, na nagbibigay-daan sa tumpak na tuning, kasama ang karagdagang stability at efficiency. Partikular, ang acousto-optic modulator ay nag-iintegrate ng photonic waveguide na nakakabit sa isang piezoelectric transducer.

CMOS Fabrication Enables Mass Production

Upang matugunan ang mahigpit na mga kinakailangan sa sukat, nagpasya ang mga inhinyero na likhain ang device sa isang 200-mm wafer na pagkatapos ay hinati sa 120 iba’t ibang chip. Ang proseso ay gumamit ng piezo-optomechanical aluminum nitride-SiNx platform, na nagbibigay-daan sa mga inhinyero na gamitin ang phase modulation upang lumikha ng gigahertz-frequency sidebands sa isang 730-nm laser input.

Mas kahanga-hanga pa, umasa sila sa standard chip manufacturing techniques upang likhain ang mga device, ibig sabihin maaari itong ma-mass-produce sa hinaharap, binubuksan ang pinto para sa mas maraming access sa quantum computing.

Sa pagtalakay ng kanilang approach, sinabi ng mga inhinyero kung paano ang CMOS fabrication ay ang tuktok ng scalable technology at kung paano ang paggamit nito bilang paraan upang lumikha ng quantum chips ay kritikal para sa karagdagang pag-aampon.

Partikular, tinalakay ng mga inhinyero kung paano ang teknolohiyang ito ay nagbigay-daan sa maraming paborito ninyong high-tech devices, kabilang ang smartphones, laptops, at iba pang device na araw-araw ninyong ginagamit. Ipinaliwanag nila kung paano nito pinadali ang paglaganap ng teknolohiyang ito at kung paano ito gagawin para sa mga quantum-powered device sa hinaharap.

Pinagmulan – Nature Communications

Dual-Mode Operation: Optical and Electromechanical

Kapansin-pansin, ang optical phase modulator ay maaaring mag-operate sa dalawang magkaibang mode. Ang una ay ang propagating optical mode, na nagpo-propagate at naggi-guide ng photonic waveguides sa mga circuit. Ang estratehiyang ito ay sumusuporta sa entanglement distribution, routing, at coherence, na mahalaga para sa karamihan ng operasyon.
Ang ikalawang mode ay electrically excitable breathing-mode mechanical resonance, na umaasa sa microwaves na inilalapat sa nanostructures, na lumilikha ng piezoelectric actuation. Ang mga microwaves na ito ay nagbabago ng photon oscillation rates at optical fields. Kapansin-pansin, sinusuportahan ng mode na ito ang mataas na optical powers, na ginagawang perpekto para sa advanced quantum computations.

Performance Benchmarks: Stability & Efficiency

Isinagawa ng mga inhinyero ang ilang pagsusuri gamit ang radio frequency spectrum analyzer upang subukan ang output ng chip. Upang maisakatuparan ito, ikinabit ng koponan ang chip sa isang braso na may laser source na konektado sa isang fiber interferometer.

Ang kabilang dulo ng device ay konektado sa isang acousto-optic frequency shifter (AOFS). Pinadaan ng mga inhinyero ang ilaw sa parehong dulo ng device at pagkatapos ay muling pinagsama gamit ang 50/50 directional coupler. Pinapayagan nito ang mga photon na ituro sa spectrum analyzer, na nagpapataas ng katumpakan.

Ang bagong chip ay nakamit ang optical power rating na 730NM, na lagpas sa 500mW na layunin na itinakda ng mga inhinyero. Dagdag pa, nagawang i-tune ng koponan ang geometry ng device upang higit pang mapabuti ang optomechanical interaction. Ipinakita ng pagsusuri na ang modulation depths ay umabot sa 4.85 rad gamit lamang ang 80mW microwave na naka-set sa 2.31GHz.

Kahanga-hanga, ang yunit ay nagrehistro ng pinakamababang frequency loss ng anumang chip hanggang ngayon. Partikular, binanggit ng mga inhinyero na ang bagong chip ay 15x mas stable at 100x mas efficient sa usapin ng microwave power requirements kumpara sa kasalukuyang mga quantum chip na ginagamit.

Key Advantages of CMOS Fabrication

Maraming benepisyo ang maidudulot ng mass-produced photonic chips sa merkado. Una, maaari silang gawin sa napakalaking bilang, na nagbibigay-daan sa teknolohiya na lumipat mula sa eksklusibong access patungo sa popular na opsyon sa computing. Ang metodong ito ng fabrication ay mas abot-kaya at magpapahintulot sa mga inhinyero na lumikha ng medyo maliliit na quantum computers na nag-iintegrate ng libu-libong qubits.
Mag-swipe para mag-scroll →

Ang metodong ito ng fabrication ay kayang, sa unang pagkakataon, lumikha ng magkaparehong bersyon ng mga high-tech, masalimuot na device. Ang kakayahang ito ay nangangahulugang magagawa ng mga inhinyero na lumikha at ipamahagi ang kanilang mga hinaharap na disenyo ng quantum computer sa masa gamit ang umiiral nang mga pamamaraan.

Small Size

Isa sa pinakamalaking benepisyo ng layout na ito ay ang maliit na sukat nito. Sa 100x mas maliit kaysa sa hibla ng tao, ang mga chip na ito ay kayang suportahan ang makapangyarihang disenyo ng quantum computer. Ang mga yunit na ito ay mag-iintegrate ng libu-libong qubits tulad ng IBM’s (IBM )Condor chip, na humahawak ng 1,121 qubits ngunit may mas malaking form factor dahil sa mas malaking laminate.

High Performance

Kahanga-hanga, ang mga chip na ito ay maaaring magbigay ng computing power na katumbas ng pinaka-advanced na makina ngayon. Maaari nilang suportahan ang higit sa 500mW ng optical power, na siyang kasalukuyang pinakamataas para sa high-end quantum computing. Gayundin, ang bagong disenyo ng chip ay sumusuporta sa mas maraming optical power at precision habang kumokonsumo ng mas kaunting enerhiya.

More Efficient

Ang phase modulation na ginamit sa approach na ito ay nangangailangan ng mas kaunting microwave power kumpara sa mga nauna. Partikular, binanggit ng mga inhinyero na ang kanilang device ay maaaring magsagawa ng quantum actions gamit ang 80x mas kaunting enerhiya. Bilang resulta, ito ay nagpo-produce ng mas kaunting init, na nagbibigay-daan upang maisama ito sa mas maraming chip para lumikha ng mas makapangyarihang device.

Real-World Applications: Sensing & Networking

May ilang aplikasyon ang teknolohiyang ito. Ang halatang gamit ay ang pagsuporta sa hinaharap na disenyo ng Quantum computer. Ang mga high-performance chip na ito ay sapat na maliit upang maipakete nang mahigpit at sapat na energy-efficient upang hindi magdulot ng overheating concerns sa configuration na ito.

Quantum Sensing

Ang mga quantum sensor ay nagbibigay ng mas malaking katumpakan kumpara sa tradisyonal na sensor. Natatamo nila ito sa pamamagitan ng paggamit ng superposition, entanglement, at squeezing. Ang mga aksyon na ito ay nagpapahintulot sa device na tumpak na sukatin ang mga pagbabago sa magnetic fields, gravity, oras, temperatura, at iba pa. Ang mga chip na ito ay makakatulong upang gawing mas abot-kaya ang mga sensor na ito.

Quantum Networking

Isa pang mahalagang aplikasyon ay ang Quantum networking. Ang teknolohiyang ito ay gumagamit ng entanglement upang magpadala ng data sa mataas na transmission rates. Partikular, gumagamit ito ng quantum Bell pairs at teleportation upang ilipat ang mga estado nang hindi kinokopya. Ang layunin ng teknolohiyang ito ay lumikha ng imprastruktura para sa quantum internet balang araw.

Path to Commercialization: The 7-10 Year Roadmap

Aabutin ng humigit-kumulang 7-10 taon bago maabot ng teknolohiyang ito ang publiko. Mahalaga, ang teknikong ito ng paggawa ay magiging pangunahing salik sa pagtulak ng pag-aampon ng quantum technologies, ngunit una, kailangan itong mapahusay. Gayunpaman, kapag nakipag-partner na sa tamang manufacturer, susuportahan ng low-cost strategy ang karagdagang integration at adoption.

Research Team & Funding

Ang University of Colorado at Boulder ang nag-host ng pag-aaral tungkol sa photonic chips kasama ang pakikilahok ng Sandia National Laboratories. Partikular, sina Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer, at Sebastian Magri ang nag-ambag sa gawaing ito.
Ang pag-aaral ay nakatanggap ng pinansyal at materyal na suporta mula sa U.S. Department of Energy sa pamamagitan ng Quantum Systems Accelerator program, na hosted ng National Quantum Initiative Science Research Center.

Future Research Goals

Ngayon, itutuon ng koponan ang kanilang pansin sa paglikha ng integrated photonic circuits na kayang higitan ang mga nakaraang performance measures. Nais ng grupo na pahusayin ang kanilang chip frequency generation at filtering capabilities, kasama ang kanilang pulse shaping approach, upang higit pang mapabuti ang performance.
Gayundin, hahanapin ng mga inhinyero ang mga strategic partners upang matulungan na ilagay ang kanilang fabrication method sa operasyon. Ang hakbang na ito ay nangangahulugang makikipag-ugnayan sa mga nangungunang CMOS fabrication sites at magse-secure ng bahagi ng kanilang planta para sa bagong disenyo ng chip na ito.

Top Quantum Computing Stock to Watch

Patuloy na lumalawak ang sektor ng quantum computing, na may kompetisyon na tumataas buwan-buwan. Ang mga nangungunang quantum computer designers, chip manufacturers, at programmers ngayon ay patuloy na itinutulak ang teknolohiyang ito sa mas mataas na antas, binubuksan ang pinto para sa mga inobasyon sa computational power. Narito ang isang kumpanya na nananatiling nasa unahan ng rebolusyong ito.

IonQ (IONQ): Isang Lider sa Trapped-Ion Systems

IonQ (IONQ ) ay inilunsad noong 2015 upang itulak ang quantum tech pasulong. Ang kumpanya ay itinatag ng dalawang quantum computing experts, sina Christopher Monroe at Dr. Jungsang Kim. Kapansin-pansin, si Monroe ay naging mahalaga sa mga pag-aaral ng quantum at itinuturing na pioneer sa industriya.
Natulungan ng IonQ na mag-innovate ang teknolohiya, kabilang ang paglikha ng unang operational 5 ytterbium ion chip na nagpapatakbo ng Deutsch-Jozsa algorithm. Naglunsad din ito ng unang commercial trapped-ion QCaaS. Ang mga pag-unlad na ito ay tumulong sa kumpanya na matagumpay na makakuha ng $636M.

Sa kasalukuyan, nag-aalok ang kumpanya ng ilang high-level quantum products, kabilang ang kanilang Aria 32-qubit rack mount system. Dagdag pa, nakasecure ang kumpanya ng strategic partnerships sa AWS/Azure/Google Cloud, at iba pang nangungunang cloud providers.
Para sa mga naghahanap ng kagalang-galang na quantum computing provider na may maraming taon ng karanasan, dapat isaalang-alang ang masusing pagsasaliksik tungkol sa IonQ. Sa kasalukuyan, ang kumpanya ay may market cap na $16.3B. Kapansin-pansin, ang stock nito ay nakaranas ng ilang volatility kamakailan, na may high na $84.64 at low na $17.88.

Latest IonQ (IONQ) Stock News and Performance

Conclusion

Ang kahalagahan ng matagumpay na pag-develop ng paraan upang mass-produce ang photonic chips ay hindi maaaring maliitin. Ang teknolohiyang ito ay nasa core ng paglawak ng quantum computing at kailangang mapahusay bago ito maging pampublikong accessible. Ang pinakabagong pag-unlad na ito ay tiyak na magbabawas ng gastos sa paglikha ng quantum devices, na sa kalaunan ay magbibigay ng matatag na suplay ng mga chip sa merkado sa hinaharap.

Alamin ang iba pang Cool Computing Tech Breakthroughs Here.

Mga Sanggunian

^{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}