Kuantum Sıçraması: Dünyanın İlk Hibrit Kuantum-Fotonik Çipi

Yatırımların artması ve buluşların çoğalmasıyla birlikte kuantum teknolojisi gerçeğe dönüşmeye her zamankinden daha yakın. 

McKinsey'e göre kuantum teknolojisinin üç ana ayağı şunlardır kuantum hesaplamakuantum iletişim ve kuantum algılama, birlikte olabilir kadar üretmek $97 milyar gelir önümüzdeki on yıl içinde dünya çapında. 

Teknoloji ile ilgilenir kuantum mekaniği prensiplerini kullanarak yenilikçi teknolojiler Klasik teknolojilerin yeteneklerini aşan.

Bir .. umut verici yollar Kuantum teknolojilerini geliştirmek fotonik yoluyla olur. Bunun nedeni, dolaşıklık dağıtımı için optik ara bağlantılarla doğal uyumluluğu, oda sıcaklığında dekoheransa karşı sağlamlığı ve çip ölçeğinde bir formata küçültülebilmesidir.

Fotonik, ışık (fotonlar) bilimidir ve çeşitli uygulamalar için ışığın üretilmesi, algılanması ve manipülasyonu ile ilgilenir.

Kuantum-fotonik sistemler için silikon fotonikler en ölçeklenebilir platformu sunmaktadır. Onlar yapabilir inşa edilecek tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken (CMOS) mikro-elektronik endüstrisinde geliştirilen yarı iletken üretim tekniklerini kullanarak halihazırda büyük ölçekte çipler üretmektedir.

Silikon fotonik yakında kullanılacak çok sayıda insan yaratmak için fiziksel kübitlerminyatürleştirilmiş optik cihazlarda faydalı kuantum bilgi işleme elde etmek için gerekli olan Işığın kuantum durumlarını manipüle etmek, aslında bu silikon kuantum-fotonik entegre devreleri inşa etmek ciddi zorluklar ortaya çıkarmaktadır.

Sorunlar termal karışma, serbest taşıyıcı ve kendi kendine ısınan doğrusal olmama ve sıcaklık ve süreçteki herhangi bir değişime karşı aşırı hassasiyeti yönetme ihtiyacı ile ilgilidir. 

Mesele şu ki, silikon kuantum fotonik cihazların düzgün çalışması için elektronik devreler tarafından kontrol edilmelerinin yanı sıra sürekli izlenmeleri de gerekiyor. Bu yüzden, hantal çip dışı elektronikler kullanıldıBu da sorunları kısmen ele alıyor, ancak o aynı zamanda çip ölçekli bir platformun birçok avantajından vazgeçilmesine neden olur. 

için Kuantum bilgi işleme için bir platform olarak silikon fotoniğin tam potansiyelinin farkına varmak için zorunda klasik kontrol darboğazını çözer.

Bu nedenle, disiplinler arası bir araştırmacı ekibi, çip üzerinde elektronik-fotonik bir kuantum sistemi tanıttı. Bu üretilmiştir Ticari bir 45 nm CMOS mikroelektronik dökümhanesinde.

Bu elektronik, fotonik ve kuantum gücünü birleştiren dünyanın ilk hibrit çipidir. 

CMOS kullanımı araştırmayı daha da övgüye değer kılıyor. Bu yarı iletken teknolojisi modern elektroniğin temel taşıdır. Samsung, Sony, Intel ve TSMC gibi şirketler bu teknolojiyi elektronik cihazların seri üretiminde kullanmaktadır.

Bu arada 45 nm düğümü kanıtlanmış ve uygun maliyetlidir. Ayrıca silikon üretiminin geniş altyapısıyla da uyumludur.

Ekibe göre, tamamen entegre, modüler kontrol yaklaşımları, "silikon kuantum fotoniğin gelecek nesil kuantum bilgi sistemleri için gereken devasa ölçeğe ulaşmasının yolunu açıyor."

Disiplinlerarası İşbirliği Kuantum Teknolojisini Gerçeğe Yaklaştırıyor

Bu son çalışma, Türkiye'de büyük Kuantum teknolojisinde çığır açan bu çalışma UC Berkeley, Boston Üniversitesi ve Northwestern Üniversitesi'nden araştırmacılar tarafından yürütüldü.

"Bu çalışmanın gerektirdiği disiplinler arası işbirliği, kuantum sistemlerini laboratuvardan ölçeklenebilir platformlara taşımak için tam da ihtiyaç duyulan şeydir. Elektronik, fotonik ve kuantum ölçümü alanlarındaki ortak çabalarımız olmadan bunu başaramazdık."

- Prem Kumar, Northwestern'de elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü

Araştırma Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir. Nature Electronics dergisinde yayınlanan çalişma si̇stemi̇ detaylandiriyor¹ kuantum ışık kaynaklarını ve dengeleyici elektronikleri, standart 45 nm yarı iletken süreci kullanılarak üretilen tek bir silikon çip üzerine başarıyla entegre etti.

Bu kombinasyon ne olduğunu çipin sürekli olarak birbiriyle ilişkili foton çiftleri üretmesini sağlar. vardır çeşitli kuantum uygulamalarının temelini oluşturmaktadır.

Her silikon çipte bir dizi "kuantum ışık fabrikası", toplamda on iki bağımsız kuantum ışık kaynağı bulunmaktadır. güçlendirilmiştir lazer ışığı ile. Ayrıca foton çiftleri üretmek için mikroring rezonatörlerine de bağlıdırlar. Bu kaynakların her biri, her yönde bir milimetreden daha küçük bir boyuta sahiptir.

Bu Birden fazla birbirine bağlı çipten oluşan daha karmaşık kuantum sistemlerinin geliştirilmesine ve "kuantum ışık fabrikası" çiplerinin seri üretimine yönelik önemli bir adıma işaret ediyor. BU'da elektrik ve bilgisayar mühendisliği doçenti olan kıdemli çalışma yazarı Miloš Popović'e göre:

"Kuantum bilişim, iletişim ve algılama kavramdan gerçeğe giden onlarca yıllık bir yolda ilerliyor. Bu, o yolda küçük bir adım ama önemli bir adım çünkü ticari yarı iletken dökümhanelerinde tekrarlanabilir, kontrol edilebilir kuantum sistemleri inşa edebileceğimizi gösteriyor."

Şu anda gelişimin ilk aşamalarında olan kuantum teknolojisi, sıfır ya da bir olan klasik bitleri kullanan mevcut bilgisayarlardan farklı olarak kuantum bitleri (kübitler). 

Bu kubitler her iki durumun süperpozisyonunda da bulunabilir aynı zamandaKuantum bilgisayarların paralel hesaplamalar yapmasına izin vererek, lider büyük hızlanmalara. Burada, süperpozisyon o çoklu durumlarda bir kuantum sisteminin varlığı bir kerede. 

Gerçek Zamanlı Self-Tuning ile Ölçeklenebilirlik Kodunu Kırmak

Şimdi, farklı yollar var kuantum teknoloji̇si̇ uygulanabi̇li̇rFotonik de bunlardan biridir ve işlevlerini yerine getirmek için kontrollü bir ışık akışı, tek fotonlar veya dolaşık foton çiftleri gerekir. 

Bu sabit kuantum ışık akımları üretilir mikroring rezonatörleri ve kuantum noktaları gibi cihazlar kullanarak.

Mikroring rezonatörler, bir çip üzerinde ışığın kuantum durumlarının üretilmesine olanak tanıyan hassas bir şekilde tasarlanmış fotonik cihazlardır. Bunlar, nanometre ölçeğinde ışığı yönlendirmek için çok etkili bir yol sunduklarından silikon fotonikte temel unsurlardır. Bu, ilmekleme ile elde edilir ışık bir daire içinde Hedeflenen dalga boyuna (rezonans) ulaşmak için.

Korelasyonlu foton çiftleri şeklinde kuantum ışık akımları üretmek için mikro rezonatörler ihtiyacım var ayarlanmış olmak her bir kuantum ışığına güç veren gelen lazer ışığı ile senkronize olarak Fabrika çip üzerinde. Bu ayrıca kullanılır üretim süreci için yakıt olarak.

Ancak rezonatörler sıcaklık ve üretimdeki değişikliklere karşı çok hassastır. Bu senkronize olmamalarına ve kuantum ışığının düzenli üretimini bozmalarına neden olabilir.

Önlemek için ve rezonatörler olduğunda ışık üretiminde bozulma itilir Ekip, kuantum ışık kaynaklarını çip üzerinde aktif olarak stabilize eden entegre bir sistem inşa etti, özellikle, rezonatörler üreten korelasyonlu foton akışları. Bu ışık kaynakları her bir çipte bulunur ve paralel olarak çalışır. 

"Beni en çok heyecanlandıran şey, kontrolü doğrudan çip üzerine yerleştirmiş olmamız - bir kuantum sürecini gerçek zamanlı olarak stabilize etmemiz. Bu, ölçeklenebilir kuantum sistemlerine doğru atılmış kritik bir adım."

- Kuantum ölçümlerini yöneten Northwestern'de doktora öğrencisi olan Anirudh Ramesh

İlginç bir şekilde, mikroring rezonatörlerin aşırı hassasiyeti aslında kuantum ışık kaynaklarının temelidir; kuantum ışık akışlarının verimli bir şekilde ve minimum çip alanında üretilebilmesinin nedeni budur. Bununla birlikte, sıcaklıktaki küçük değişiklikler bile foton çifti üretim süreci. 

Araştırmacılar bu sorunun üstesinden gelmek için çipin üzerine gerçek zamanlı bir kontrol sistemi yerleştirdiler. Fotodiyotları her rezonatörün içine özel bir şekilde entegre ederek performansı, özellikle de gelen lazerle hizalamayı izlemelerine olanak sağladılar. kuantum ışık üretimi.

Bu arada, çip üzerindeki minyatür ısıtıcılar ve kontrol mantığı, sürüklenmeye yanıt olarak rezonansı sürekli olarak ayarlar. Böylece, koşullar dalgalansa bile, bu yerleşik geri bildirim döngüsü kuantum ışık üretim sürecini sürdürerek cihazın tahmin edilebilir şekilde davranmasını sağlar.

Kendi kendini ayarlama özelliği, on iki rezonatörün tamamının herhangi bir hantal stabilizasyon ekipmanına ihtiyaç duymadan mükemmel bir senkronizasyon içinde birlikte çalışmasını sağlar. Bu Kuantum sistemlerinin ölçeklendirilmesi için kilit bir gereklilik olduğundan, bu önemli bir noktadır. Boston Üniversitesi'nde doktora öğrencisi olan ve fotonik cihaz tasarımını yöneten Imbert Wang'a göre:

"Önceki çalışmalarımıza göre en önemli zorluk, ticari bir CMOS platformunun katı kısıtlamaları içinde kalırken kuantum optiğinin zorlu gereksinimlerini karşılamak için fotonik tasarımını zorlamaktı. Bu da elektronik ve kuantum optiğinin birleşik bir sistem olarak birlikte tasarlanmasını sağladı."

Tüm sistem imal edildi BU, UC Berkeley, GlobalFoundries ve Ayar Labs arasındaki bir işbirliği ile geliştirilen ticari bir 45 nm CMOS çip platformunda. Ayar Labs adlı startup, ışık darbeleri kullanan çipler için teknoloji üretiyor ve AMD Ventures, Intel Capital ve Nvidia'dan $1 milyar değerleme ile $155 milyon girişim fonu sağladı ve bu da "hacimli üretim için zemin hazırlıyor."

Üretim süreci, yapay zeka ve süper bilgisayarlar için gelişmiş optik ara bağlantılar sağlıyor, ve şimdi ölçeklenebilir bir silikon platform üzerinde karmaşık kuantum fotonik sistemler.

"Amacımız, karmaşık kuantum fotonik sistemlerin tamamen bir CMOS çipi içinde inşa edilebileceğini ve stabilize edilebileceğini göstermekti. Bu da genellikle birbiriyle konuşmayan alanlar arasında sıkı bir koordinasyon gerektiriyordu."

- UC Berkeley'de doktora öğrencisi olan Daniel Kramnik, çip tasarımı, paketleme ve entegrasyonuna liderlik etti

Çipin güvenirliği ve Teknikleri halihazırda kullanımda olan yeni kurulumlar oluşturmaya gerek olmadığı anlamına gelir, sırayla, ölçeklenebilirliğin önünü açıyor kuantum hesaplama.

Kuantum Sistemlerine Yatırım Yapmak 

Kuantum teknolojisi dünyası hızlı bir ilerleme kaydediyor ve her geçen yıl gerçeğe daha da yaklaşıyor. İşte, Uluslararası İş Makineleri (IBM -0.85%) arasında liderlik edenler özellikle de kuantum hesaplama alanında. Son zamanlarda, araştırmacılar IBM® ve kuantum girişimi Pasqal bir beyaz kağıt²ki onlar ortaya koydu kuantum avantajının tanımı, nasıl iddialar bilimsel olarak doğrulanabilirve bunu başarmanın yolları.

Uluslararası İş Makineleri (IBM -0.85%)

Bu ay IBM Quantum, kuantum simülasyonu kullanarak mRNA yapısını modellemek için Moderna ile birlikte çalıştı. Bunun için, "insan sağlığını iyileştirmek" amacıyla özel bir algoritma çalıştıran bir IBM Quantum Heron işlemcisinin 80 kübitini kullandılar.

"Gelecekte teknolojinin tamamen olgunlaşmasını beklemek yerine, bugün ilerlememizi ölçeklendirmek için kuantum hesaplama da dahil olmak üzere mevcut her aracı keşfetmenin kritik önem taşıdığına inanıyoruz."

- Moderna kuantum algoritmaları ve uygulamaları bilimsel direktör yardımcısı, Alexey Galda

Geçtiğimiz ay, IBM ayrıca bir büyük dünyanın ilk büyük ölçekli kuantum bilgisayarını inşa ettiğini duyurdu o 2029'da müşterilere teslim etmeyi beklemektedir. 

IBM Starling adı verilen hata toleranslı kuantum bilgisayar, mevcut kuantum bilgisayarlardan 20.000 kat daha güçlü olacak ve "dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarının bir katrilyondan fazlasının belleğine ihtiyaç duyacaktır."

Şirketin yol haritasına göre, Starling'in gelişi olur Kuantum bilgisayarların gelecek yıl 'kuantum avantajı'nın ilk gösterimi de dahil olmak üzere çeşitli kilometre taşlarını takip etmesi başlayacak için aşmak pratik bilgi işlem uygulamalarında klasik bilgisayarlar.

Ama Ondan önce, IBM Quantum Loon olacak Nighthawk çipi ile birlikte bu yılın sonlarında piyasaya sürülecek. Ve gelecek yıl IBM Quantum Kookaburra onu takip edecek. okodlanmış bilgileri depolamak ve işlemek için şirketin ilk modüler işlemcisine sahiptir. Ardından, IBM Kuantum Kakadu yaygınlaştırılacak Ondan sonraki yıl, mimarisi "kuantum çiplerini daha büyük bir sistemdeki düğümler gibi birbirine bağlayacak ve pratik olmayan büyüklükte çip inşa etme ihtiyacını ortadan kaldıracak."

Bu sürümler nihayetinde Starling'in Avrupa Birliği'nden önce piyasaya sürülmesine yol açacak. on yıl bitti. Bu yenilik "200 mantıksal kübit kullanarak 100 milyon kuantum işlemi" gerçekleştirmeyi umuyor.

Starling ile IBM şunları hedefliyor çözmek gerçek dünya zorlukları, bir şey kuantum teknolojisinin henüz başaramadığı bir şey. CEO'su Arvind Krishna'ya göre, kuantum bilgisayarları aynı zamanda "iş dünyası için muazzam olasılıkların kilidini açacak."

Yol haritasına göre, IBM'in kuantum bilişim hedefleri Starling'in ötesine uzanıyor. Blue Jay, 2033'ten sonrasına kadar gelmesi beklenmeyen ikinci nesil hataya dayanıklı kuantum hesaplama ISA'sı olacak. Tarafından Daha sonra, bilgi işlem platformu 1 milyar kapı ve 2.000 mantıksal kübite kadar ölçeklenebilir. 

Küresel hibrit bulut, yapay zeka ve danışmanlık uzmanlığı sağlayıcısı olan $262 bln piyasa değerindeki IBM'in piyasa performansına gelince, hisseleri şu anda $265'in üzerinde işlem görüyor ve YTD 28.29% artış gösterdi. Şirket 2,38% temettü getirisi ödüyor.

Şirket son olarak 2025 yılının 2. çeyreğine ilişkin sonuçlarını açıkladı ve bu sonuçlara göre gelir 8% artışla $17 milyar dolara, işletme faaliyetlerinden elde edilen net nakit $6,1 milyar dolara ve serbest nakit akışı $4,8 milyar dolara ulaştı.

"Bu çeyrekte bir kez daha gelir, kâr ve serbest nakit akışı beklentilerini aştık. IBM pazarda oldukça farklılaşmış durumda Çünkü Her ikisi de müşterilerin yapay zekayı dağıtmasına ve ölçeklendirmesine yardımcı olmak için çok önemli olan derin inovasyon ve alan uzmanlığımız. Üretken yapay zeka iş hacmimiz hızlanmaya devam ediyor ve şu anda $7,5 milyarı aşmış durumda."

- CEO Krishna

En son Uluslararası İş Makineleri (IBM) Hisse Haberleri ve Gelişmeler

Sonuç

Kuantum teknolojisi hızla ilerliyor, yol alıyor bir konseptten ölçeklenebilir bir sektöre, atılımlarla yönlendirilen gibi hibrit kuantum-elektronik-fotonik çipler. 

Çalışma, kuantum ışık kaynaklarını, dengeleyici elektronikleri ve ölçeklenebilir üretimi tek bir çipe entegre ederek en iyi şekilde yaratıldı a kuantum geleceği için bir plan. Ve kuantum fotonik sistemler ilerleme kaydetmeken yeni̇ hi̇bri̇t çi̇pler teknoloji̇leri̇n temeli̇ hali̇ne gelebi̇li̇r gibi gelişmiş algılama, güvenli iletişim ağları ve kuantum hesaplama.

IBM'in devasa kuantum işlemciler üretmesiyle birlikte, kuantum bilişimin nihayet gerçek dünyada etki yaratacağı önümüzdeki on yılın heyecan verici olacağı kesin.

2025'in en iyi kuantum bilişim şirketlerinin listesi için buraya tıklayın.

Referanslar:

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. Kuantum Işık Kaynaklarının CMOS Çip Üzerinde Ölçeklenebilir Geri Besleme Stabilizasyonu. Doğa Elektroniği, 8, (2025). Çevrimiçi yayınlandı 14 Temmuz 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. Kuantum avantajı için bir çerçeve. arXiv ön baskı arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Çevrimiçi yayınlandı 14 Temmuz 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658