Quantensprung: Der weltweit erste hybride Quanten-Photonik-Chip

Angesichts steigender Investitionen und zunehmender Durchbrüche ist die Quantentechnologie der Verwirklichung näher denn je. 

Laut McKinsey sind die drei Hauptsäulen der Quantentechnologie: Quantencomputing, Quantenkommunikation und Quantensensorik, Prioritäten setzten könnte generieren so viel 97 Milliarden US-Dollar Umsatz weltweit innerhalb des nächsten Jahrzehnts. 

Die Technologie befasst sich mit die Prinzipien der Quantenmechanik, um innovative Technologien die die Fähigkeiten klassischer Technologien übertreffen.

Eins aussichtsreich Wege Der Weg zur Entwicklung von Quantentechnologien führt über die Photonik. Dies liegt an seiner natürlichen Kompatibilität mit optischen Verbindungen zur Verteilung der Verschränkung, seiner Robustheit gegenüber Dekohärenz bei Raumtemperatur und seiner Fähigkeit, auf ein Chip-Format verkleinert zu werden..

Photonik ist die Wissenschaft des Lichts (Photonen) und befasst sich mit der Erzeugung, Erkennung und Manipulation von Licht für verschiedene Anwendungen.

Für quantenphotonische Systeme bietet die Siliziumphotonik die skalierbarste Plattform. Sie können gebaut sein Dabei kommen Halbleiterherstellungstechniken zum Einsatz, die in der Mikroelektronikindustrie für komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS) entwickelt wurden, in der bereits Chips in großem Maßstab produziert werden.

Während Silizium-Photonik bald verwendet werden zur Schaffung einer großen Anzahl von physikalische Qubits, die für eine nützliche Quanteninformationsverarbeitung in miniaturisierten optischen Geräten zur Erzeugung und Die Manipulation der Quantenzustände des Lichts und der eigentliche Aufbau dieser quantenphotonischen integrierten Siliziumschaltkreise stellen eine große Herausforderung dar.

Die Probleme hängen mit thermischem Übersprechen, Nichtlinearitäten der freien Ladungsträger und der Selbsterhitzung zusammen und mit der Notwendigkeit, eine extreme Empfindlichkeit gegenüber Temperatur- und Prozessschwankungen zu bewältigen. 

Der Punkt ist, dass Silizium-Quantenphotonikgeräte für ihre ordnungsgemäße Funktion eine kontinuierliche Überwachung und Steuerung durch elektronische Schaltkreise benötigen. So, sperrige Off-Chip-Elektronik verwendet worden, die die Probleme teilweise behebt, aber zur Abwicklung, Integrierung, Speicherung und führt auch dazu, dass viele Vorteile einer Chip-Scale-Plattform aufgegeben werden. 

Um Um das volle Potenzial der Siliziumphotonik als Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung auszuschöpfen, müssen den klassischen Kontrollengpass zu lösen.

Ein interdisziplinäres Forscherteam hat ein elektronisch-photonisches Quantensystem auf einem Chip vorgestellt. Es ist fabriziert in einer kommerziellen 45-nm-CMOS-Mikroelektronikgießerei.

Dieser ist der weltweit erste Hybridchip, der Elektronik, Photonik und Quantenenergie kombiniert. 

Der Einsatz von CMOS macht die Forschung umso lobenswerter. Diese Halbleitertechnologie ist der Grundstein der modernen Elektronik. Unternehmen wie Samsung, Sony, Intel und TSMC nutzen sie zur Massenproduktion von Elektronik.

Der 45-nm-Knoten ist inzwischen bewährt und kostengünstig. Er ist zudem mit der breiten Infrastruktur der Siliziumherstellung kompatibel.

Ihr vollständig integrierter, modularer Steuerungsansatz, so das Team, „ebnet der Silizium-Quantenphotonik den Weg, um die enorme Größenordnung zu erreichen, die für zukünftige Generationen von Quanteninformationssystemen erforderlich ist.“

Interdisziplinäre Zusammenarbeit bringt Quantentechnologie der Realität näher

Die neueste Studie, die einen Dur Durchbruch in der Quantentechnologie, wurde von Forschern der UC Berkeley, der Boston University und der Northwestern University durchgeführt.

„Die für diese Arbeit erforderliche interdisziplinäre Zusammenarbeit ist genau das, was wir brauchen, um Quantensysteme vom Labor auf skalierbare Plattformen zu bringen. Ohne die gemeinsamen Anstrengungen in den Bereichen Elektronik, Photonik und Quantenmessung wäre dies nicht möglich gewesen.“

– Prem Kumar, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Northwestern

Die Forschung wurde von der National Science Foundation unterstützt. Veröffentlicht in Nature Electronics, dem Studie detailliert das System¹ Dabei ist es gelungen, Quantenlichtquellen und Stabilisierungselektronik auf einem einzigen Siliziumchip zu integrieren, der im standardmäßigen 45-nm-Halbleiterprozess hergestellt wurde.

Diese Kombination was ermöglicht dem Chip, ständig Ströme korrelierter Photonenpaare zu erzeugen, was Diese die Grundlage verschiedener Quantenanwendungen.

Jeder Siliziumchip verfügt über eine Reihe von „Quantenlichtfabriken“, insgesamt zwölf unabhängige Quantenlichtquellen, die werden angetrieben durch Laserlicht. Sie sind ebenfalls auf Mikroringresonatoren angewiesen, um Photonenpaare zu erzeugen. Jede dieser Quellen hat eine Abmessung von weniger als einem Millimeter in jede Richtung..

Dieser markiert einen wichtigen Schritt hin zur Entwicklung komplexerer Quantensysteme aus mehreren miteinander verbundenen Chips und zur Massenproduktion von „Quantenlichtfabrik“-Chips. Studienautor Miloš Popović, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der BU, erklärt:

Quantencomputer, -kommunikation und -sensorik befinden sich auf einem jahrzehntelangen Weg vom Konzept zur Realität. Dies ist ein kleiner Schritt auf diesem Weg – aber ein wichtiger, denn er zeigt, dass wir wiederholbare, kontrollierbare Quantensysteme in kommerziellen Halbleiterfertigungen bauen können.

Die Quantentechnologie, die sich derzeit in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, unterscheidet sich von bestehenden Computern, die klassische Bits verwenden, die entweder Null oder Eins sind, durch die Verwendung Quantenbits (Qubits). 

Diese Qubits können in einer Überlagerung beider Zustände existieren gleichzeitig, wodurch Quantencomputer parallele Berechnungen durchführen können, was wiederum, führenden zu massiven Beschleunigungen. Hier Überlagerung is die Existenz eines Quantensystems in mehreren Zuständen auf einmal. 

Den Skalierbarkeitscode mit Echtzeit-Selbstoptimierung knacken

Nun gibt es verschiedene Möglichkeiten Quantentechnologie kann angewendet werden, und die Photonik ist eine davon, bei der zur Erfüllung ihrer Funktion ein kontrollierter Strom aus Licht, einzelnen Photonen oder verschränkten Photonenpaaren erforderlich ist. 

Diese stetigen Ströme von Quantenlicht sind generiert unter Verwendung von Geräten wie Mikroringresonatoren und Quantenpunkten.

Mikroringresonatoren sind präzise konstruierte photonische Geräte, die die Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts auf einem Chip ermöglichen. Diese sind wesentliche Elemente der Silizium-Photonik, da sie eine sehr effiziente Möglichkeit bieten, Licht im Nanometerbereich zu leiten. Dies wird durch Schleifen erreicht. das Licht in einem Kreis um eine Zielwellenlänge (Resonanz) zu erreichen.

Um Quantenlichtströme in Form korrelierter Photonenpaare zu erzeugen, werden die Mikroringresonatoren müssen abgestimmt werden synchron mit dem einfallenden Laserlicht, das jedes Quantenlicht antreibt Fabrik auf dem Chip. It wird auch verwendet als Brennstoff für den Erzeugungsprozess.

Die Resonatoren reagieren jedoch sehr empfindlich auf Temperatur- und Herstellungsschwankungen. Dieser kann dazu führen, dass sie nicht mehr synchron sind und die stetige Erzeugung von Quantenlicht gestört wird.

Verhindern die Störungen der Lichterzeugung bei Resonatoren werden geschoben Aus der Synchronisation heraus baute das Team ein integriertes System, das Quantenlichtquellen auf dem Chip aktiv stabilisiert, bestimmtes, die Resonatoren Erzeugung Ströme korrelierter Photonen. Diese Lichtquellen sind in jedem Chip vorhanden und arbeiten parallel. 

„Was mich am meisten begeistert, ist, dass wir die Steuerung direkt auf dem Chip integriert haben – und so einen Quantenprozess in Echtzeit stabilisieren. Das ist ein entscheidender Schritt hin zu skalierbaren Quantensystemen.“

– Anirudh Ramesh, ein Doktorand an der Northwestern University, der die Quantenmessungen leitete

Interessanterweise ist die extreme Empfindlichkeit der Mikroringresonatoren die Grundlage von Quantenlichtquellen und somit der Grund, warum Quantenlichtströme effizient und auf minimaler Chipfläche erzeugt werden können. Allerdings können selbst kleine Temperaturänderungen erhebliche Auswirkungen haben. der Prozess der Photonenpaarerzeugung. 

Um dieses Problem zu lösen, implantierten die Forscher ein Echtzeit-Steuerungssystem direkt auf den Chip. Sie integrierten Fotodioden in jeden Resonator auf eine spezielle Art und Weise, wodurch sie die Leistung überwachen konnten, insbesondere die Ausrichtung mit dem eingehenden Laser, während sie gleichzeitig die Quantenlichterzeugung.

Gleichzeitig passen Miniaturheizelemente und Steuerlogik auf dem Chip die Resonanz ständig an die Drift an. Selbst bei schwankenden Bedingungen hält diese eingebaute Rückkopplungsschleife den Prozess der Quantenlichterzeugung aufrecht und bewirkt Das Gerät verhält sich vorhersehbar.

Durch die Selbstabstimmung können alle zwölf Resonatoren perfekt synchron zusammenarbeiten, ohne dass sperrige Stabilisierungsgeräte erforderlich sind. Dieser ist ein wichtiger Punkt, da es eine zentrale Voraussetzung für die Skalierung von Quantensystemen ist. Laut Imbert Wang, einem Doktoranden an der Boston University, der das Design des photonischen Geräts leitete:

Eine zentrale Herausforderung im Vergleich zu unserer bisherigen Arbeit bestand darin, das Photonik-Design so zu optimieren, dass es den hohen Anforderungen der Quantenoptik gerecht wird und gleichzeitig die strengen Vorgaben einer kommerziellen CMOS-Plattform einhält. Dies ermöglichte die gemeinsame Entwicklung von Elektronik und Quantenoptik als einheitliches System.

Das gesamte System wurde hergestellt in einer kommerziellen 45-nm-CMOS-Chipplattform, die in Zusammenarbeit zwischen BU, UC Berkeley, GlobalFoundries und Ayar Labs entwickelt wurde. Das Startup Ayar Labs entwickelt Technologie für Chips mit Lichtimpulsen und sicherte sich 155 Millionen US-Dollar Risikokapital von AMD Ventures, Intel Capital und Nvidia bei einer Bewertung von einer Milliarde US-Dollar, was die Voraussetzungen für die Massenproduktion schafft.

Der Herstellungsprozess ermöglicht fortschrittliche optische Verbindungen für KI und Supercomputing, und nun komplexe quantenphotonische Systeme auf einer skalierbaren Siliziumplattform.

„Unser Ziel war es zu zeigen, dass komplexe quantenphotonische Systeme vollständig auf einem CMOS-Chip aufgebaut und stabilisiert werden können. Dies erforderte eine enge Koordination zwischen Domänen, die normalerweise nicht miteinander kommunizieren.“

- Daniel Kramnik, ein Doktorand an der UC Berkeley, der Chipdesign, Verpackung und Integration leitete

Die Abhängigkeit des Chips von die Techniken die bereits im Einsatz sind bedeutet, dass keine neuen Setups erstellt werden müssen, wiederum, ebnet den Weg für skalierbare Quantencomputing.

In Quantensysteme investieren 

Die Welt der Quantentechnologie macht rasante Fortschritte und kommt der Realität mit jedem Jahr näher. Dabei steht: International Business Machines (IBM ) ist unter die führenden der Weltraum, insbesondere im Bereich Quantencomputing. Kürzlich haben Forscher aus IBM® und das Quanten-Startup Pasqal veröffentlichten eine WHITE PAPER², in dem sie angelegt die Definition des Quantenvorteils, wie die Behauptungen wissenschaftlich validiert werden könnenund Möglichkeiten, dies zu erreichen.

International Business Machines (IBM )

In diesem Monat arbeitete IBM Quantum sogar mit Moderna zusammen, um die mRNA-Struktur mittels Quantensimulation zu modellieren. Dafür nutzten sie 80 Qubits eines IBM Quantum Heron-Prozessors, auf dem ein spezieller Algorithmus lief, um „die menschliche Gesundheit zu verbessern“.

„Wir glauben, dass es entscheidend ist, jedes verfügbare Werkzeug, einschließlich Quantencomputing, zu erforschen, um unsere Fortschritte heute zu skalieren, anstatt darauf zu warten, dass die Technologie in der Zukunft vollständig ausgereift ist.“

– Alexey Galda, stellvertretender wissenschaftlicher Direktor von Moderna für Quantenalgorithmen und -anwendungen

Im letzten Monat hat IBM außerdem eine groß Ankündigung, den weltweit ersten Quantencomputer im großen Maßstab zu bauen zur Abwicklung, Integrierung, Speicherung und Die Auslieferung an Kunden ist für das Jahr 2029 geplant. 

Der fehlertolerante Quantencomputer namens IBM Starling wird 20,000 Mal leistungsfähiger sein als die bestehenden Quantencomputer und „würde den Speicher von mehr als einer Quindezillion der leistungsstärksten Supercomputer der Welt benötigen.“

Laut der Roadmap des Unternehmens wird die Ankunft von Starling würde Folgen Sie mehreren Meilensteinen, darunter der ersten Demonstration des „Quantenvorteils“ im nächsten Jahr, bei dem Quantencomputer wird beginnen zu übertreffen klassische Computer in praktischen Computeranwendungen.

Doch davor IBM Quantum Loon werden wir Debüt später in diesem Jahr zusammen mit seinem Nighthawk-Chip. Und irgendwann im nächsten Jahr folgt IBM Quantum Kookaburra zur Abwicklung, Integrierung, Speicherung und, mit dem ersten modularen Prozessor des Unternehmens zum Speichern und Verarbeiten verschlüsselter Informationen. Dann wird IBM Quantum Cockatoo ausgerollt werden im darauffolgenden Jahr, dessen Architektur „Quantenchips wie Knoten in einem größeren System miteinander verbinden wird, wodurch die Notwendigkeit vermieden wird, unpraktisch große Chips zu bauen.“

Diese Veröffentlichungen werden letztlich zur Markteinführung von Starling führen, bevor Jahrzehnt ist vorbeiMit dieser Innovation sollen „100 Millionen Quantenoperationen mit 200 logischen Qubits“ durchgeführt werden.

Mit Starling möchte IBM lösen Herausforderungen der realen Welt, etwas Die Quantentechnologie muss dies noch erreichen. Laut CEO Arvind Krishna wird ihr Quantencomputer auch „enorme Geschäftsmöglichkeiten eröffnen“.

Laut der Roadmap von IBM gehen die Ziele des Quantencomputings über Starling hinaus. Blue Jay wird die zweite Generation fehlertoleranter Quantencomputer-ISA sein, die voraussichtlich erst nach 2033 auf den Markt kommen wird. Dann kann die Computerplattform auf bis zu 1 Milliarde Gatter und 2,000 logische Qubits skaliert werden. 

Was die Marktperformance von IBM, einem Anbieter globaler Hybrid-Cloud-, KI- und Beratungskompetenz, mit einer Marktkapitalisierung von 262 Milliarden US-Dollar betrifft, notieren die Aktien derzeit über 265 US-Dollar, ein Plus von 28.29 % seit Jahresbeginn. Das Unternehmen zahlt eine Dividendenrendite von 2.38 %.

Zuletzt meldete das Unternehmen seine Ergebnisse für das zweite Quartal 2, die einen Umsatzanstieg von 2025 % auf 8 Milliarden US-Dollar, einen Netto-Cashflow aus betrieblicher Tätigkeit von 17 Milliarden US-Dollar und einen freien Cashflow von 6.1 Milliarden US-Dollar zeigten.

„Wir haben im Quartal hinsichtlich Umsatz, Gewinn und freiem Cashflow erneut die Erwartungen übertroffen. IBM bleibt im Markt stark differenziert durch unsere tiefgreifende Innovationskraft und Fachkompetenz sind von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, Kunden bei der Implementierung und Skalierung von KI zu unterstützen. Unser Auftragsbestand im Bereich generative KI wächst weiterhin und beträgt nun mehr als 7.5 Milliarden US-Dollar.“

– CEO Krishna

Neueste International Business Machines (IBM) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Fazit

Die Quantentechnologie schreitet rasant voran, seinen Weg machen vom Konzept zur skalierbaren Industrie, angetrieben von Durchbrüchen Google Trends, Amazons Bestseller hybride quantenelektronisch-photonische Chips. 

Durch die Integration von Quantenlichtquellen, stabilisierender Elektronik und skalierbarer Fertigung in einem einzigen Chip hat die Studie optimal erstellt a Blaupause für die Quantenzukunft. Und wie Quantenphotonische Systeme Fortschritte machenkönnten die neuesten Hybridchips die Grundlage für Technologien werden Google Trends, Amazons Bestseller fortschrittliche Sensorik, sichere Kommunikationsnetzwerke und Quantencomputing.

Angesichts der Tatsache, dass IBM riesige Quantenprozessoren baut, sind die Zeiten sicherlich spannend, und das nächste Jahrzehnt dürfte den Zeitpunkt markieren, an dem Quantencomputing endlich Auswirkungen auf die reale Welt hat.

Klicken Sie hier, um eine Liste der Top-Quantencomputerunternehmen des Jahres 2025 anzuzeigen.

Referenzen: (Die Referenzliste bleibt in der wissenschaftlichen Zitierweise erhalten)

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, JE; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. Skalierbare Rückkopplungsstabilisierung von Quantenlichtquellen auf einem CMOS-Chip. Naturelektronik, 8, (2025). Online veröffentlicht am 14. Juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, AD; Dalyac, C.; Gambetta, JM; Henriet, L.; Javadi-Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. Ein Rahmen für Quantenvorteile. arXiv-Vorabdruck arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Online veröffentlicht am 14. Juli 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658