Salto cuántico: el primer chip híbrido cuántico-fotónico del mundo

Con el aumento de las inversiones y la multiplicación de los avances, la tecnología cuántica está más cerca que nunca de convertirse en realidad. 

Según McKinsey, los tres pilares principales de la tecnología cuántica, que son computación cuántica, comunicación cuántica y detección cuántica, juntos podrían generar tanto $ 97 mil millones en ingresos en todo el mundo durante la próxima década. 

la tecnología trata con Los principios de la mecánica cuántica para crear soluciones innovadoras. tecnologías que superan las capacidades de las tecnologías clásicas.

Mil de prometedor formas El desarrollo de tecnologías cuánticas se realiza a través de la fotónica. Esto se debe a su compatibilidad natural con interconexiones ópticas para la distribución del entrelazamiento, su robustez a la decoherencia a temperatura ambiente y su capacidad de reducirse a un formato a escala de chip..

La fotónica es la ciencia de la luz (fotones) y se ocupa de la generación, detección y manipulación de la luz para diversas aplicaciones.

Para los sistemas fotónicos cuánticos, la fotónica de silicio ofrece la plataforma más escalable. Pueden ser construido utilizando las técnicas de fabricación de semiconductores desarrolladas en la industria de la microelectrónica de semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS), que ya produce chips a escala.

Si bien la fotónica de silicio pronto podría ser usado para crear grandes cantidades de qubits físicos, necesario para lograr un procesamiento de información cuántica útil en dispositivos ópticos miniaturizados para generar y La manipulación de los estados cuánticos de la luz y la construcción de estos circuitos integrados fotónicos-cuánticos de silicio plantean serios desafíos.

Los problemas están relacionados con la diafonía térmica, las no linealidades de portadores libres y de autocalentamiento, y la necesidad de gestionar una sensibilidad extrema a cualquier variación de temperatura y proceso. 

El problema es que, para que los dispositivos fotónicos cuánticos de silicio funcionen correctamente, necesitan una monitorización continua y un control mediante circuitos electrónicos. So, la electrónica voluminosa fuera del chip tiene ha sido usado, que aborda parcialmente las cuestiones, pero que También implica renunciar a muchos de los beneficios de una plataforma a escala de chip. 

Llene la Para aprovechar todo el potencial de la fotónica de silicio como plataforma para el procesamiento de información cuántica, que Resolver el cuello de botella de control clásico.

Así, un equipo interdisciplinario de investigadores ha presentado un sistema cuántico electrónico-fotónico en chip. es fabricado en una fundición comercial de microelectrónica CMOS de 45 nm.

Esta es el primer chip híbrido del mundo que combina electrónica, fotónica y energía cuántica. 

El uso de CMOS hace que la investigación sea aún más loable. Esta tecnología de semiconductores es la piedra angular de la electrónica moderna. Empresas como Samsung, Sony, Intel y TSMC la utilizan para la producción en masa de productos electrónicos.

El nodo de 45 nm, por su parte, es de eficacia probada y rentable. Además, es compatible con la amplia infraestructura de fabricación de silicio.

Su enfoque de control modular totalmente integrado, según el equipo, “allan el camino para que la fotónica cuántica de silicio alcance la escala masiva requerida para las futuras generaciones de sistemas de información cuántica”.

La colaboración interdisciplinaria acerca la tecnología cuántica a la realidad

El último estudio, que marca un hito gran Un gran avance en tecnología cuántica fue realizado por investigadores de la Universidad de California en Berkeley, la Universidad de Boston y la Universidad Northwestern.

El tipo de colaboración interdisciplinaria que este trabajo requirió es justo lo que se necesita para trasladar los sistemas cuánticos del laboratorio a plataformas escalables. No habríamos podido lograrlo sin los esfuerzos conjuntos en electrónica, fotónica y medición cuántica.

– Prem Kumar, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Northwestern

La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias. Publicado en Nature Electronics, el El estudio detalla el sistema¹ que ha integrado con éxito fuentes de luz cuántica y electrónica estabilizadora en un único chip de silicio, fabricado utilizando el proceso de semiconductores estándar de 45 nm.

Esta combinación qué es permite que el chip genere flujos de pares de fotones correlacionados de manera constante, lo que son La base de varias aplicaciones cuánticas.

Cada chip de silicio tiene un conjunto de “fábricas de luz cuántica”, en total doce fuentes de luz cuántica independientes que están alimentados Mediante luz láser. También dependen de resonadores de microanillos para generar pares de fotones. Cada una de estas fuentes tiene una dimensión de menos de un milímetro en cada dirección..

Esta Marca un gran paso hacia el desarrollo de sistemas cuánticos más complejos compuestos por múltiples chips interconectados y la producción en masa de chips de "fábrica de luz cuántica". Según el autor principal del estudio, Miloš Popović, profesor asociado de Ingeniería Eléctrica e Informática en la BU:

La computación, la comunicación y la detección cuánticas están en un camino de décadas desde su concepción hasta su realización. Este es un pequeño paso en ese camino, pero importante, ya que demuestra que podemos construir sistemas cuánticos repetibles y controlables en fundiciones de semiconductores comerciales.

Actualmente, en las primeras etapas de desarrollo, la tecnología cuántica se diferencia de las computadoras existentes, que utilizan bits clásicos que son cero o uno, al utilizar bits cuánticos (qubits). 

Estos qubits pueden existir en una superposición de ambos estados. al mismo tiempo, permitiendo que las computadoras cuánticas realicen cálculos en paralelo, a su vez, Un proveedor líder a aceleraciones masivas. Aquí, superposición is la existencia de un sistema cuántico en múltiples estados En seguida. 

Descifrando el código de escalabilidad con autoajuste en tiempo real

Ahora bien, hay diferentes maneras La tecnología cuántica se puede aplicar, y la fotónica es una de ellas, donde se requiere un flujo controlado de luz, fotones individuales o pares de fotones entrelazados, para realizar su función. 

Estas corrientes constantes de luz cuántica son generadas utilizando dispositivos como resonadores de microring y puntos cuánticos.

Los resonadores de microring son dispositivos fotónicos diseñados con precisión que permiten la generación de estados cuánticos de luz en un chip. Estos son elementos esenciales en la fotónica de silicio, ya que ofrecen una forma muy eficiente de guiar la luz a escala nanométrica. Esto se logra mediante bucles. la luz En un circulo para alcanzar una longitud de onda específica (resonancia).

Para generar corrientes de luz cuántica en forma de pares de fotones correlacionados, los resonadores de microring necesita estar sintonizado en sincronía con la luz láser entrante que alimenta cada luz cuántica personal en el chip. It también se usa como combustible para el proceso de generación.

Los resonadores, sin embargo, son muy sensibles a las variaciones de temperatura y fabricación. Esta puede provocar que se desincronizan e interrumpir la generación constante de luz cuántica.

Para prevenir las interrupción de la generación de luz cuando los resonadores son empujados fuera de sincronización, el equipo construyó un sistema integrado que estabiliza activamente las fuentes de luz cuántica en el chip, en particular, los resonadores la generación de corrientes de fotones correlacionados. Estas fuentes de luz están presentes en cada chip y funcionan en paralelo. 

Lo que más me entusiasma es que integramos el control directamente en el chip, estabilizando un proceso cuántico en tiempo real. Este es un paso crucial hacia sistemas cuánticos escalables.

– Anirudh Ramesh, estudiante de doctorado en Northwestern que dirigió las mediciones cuánticas

Curiosamente, la extrema sensibilidad de los resonadores de microring es la base de las fuentes de luz cuántica, la razón por la que los flujos de luz cuántica se pueden generar de forma eficiente y en un área mínima del chip. Sin embargo, incluso pequeños cambios de temperatura pueden afectar significativamente... El proceso de generación de pares de fotones. 

Para superar este problema, los investigadores implantaron un sistema de control en tiempo real directamente en el chip. Integraron fotodiodos dentro de cada resonador de una manera específica, lo que les permitió monitorear el rendimiento, específicamente la alineación con el láser entrante, mientras preservaban La generación de luz cuántica.

Mientras tanto, los calentadores en miniatura y la lógica de control del chip ajustan constantemente la resonancia en respuesta a la deriva. Así, incluso cuando las condiciones fluctúan, este bucle de retroalimentación integrado mantiene el proceso de generación de luz cuántica, lo que provoca... el dispositivo se comporte de manera predecible.

El autoajuste permite que los doce resonadores trabajen juntos en perfecta sincronización, sin necesidad de ningún equipo de estabilización voluminoso. Esta Es un punto clave, ya que es un requisito clave para ampliar los sistemas cuánticos. Según Imbert Wang, estudiante de doctorado de la Universidad de Boston, quien dirigió el diseño del dispositivo fotónico:

Un desafío clave en relación con nuestro trabajo anterior fue impulsar el diseño fotónico para cumplir con los exigentes requisitos de la óptica cuántica, sin salirse de las estrictas limitaciones de una plataforma CMOS comercial. Esto permitió el codiseño de la electrónica y la óptica cuántica como un sistema unificado.

Todo el sistema fue fabricado En una plataforma comercial de chips CMOS de 45 nm, desarrollada mediante una colaboración entre la Universidad de Berkeley (BU), la Universidad de California en Berkeley (UC Berkeley), GlobalFoundries y Ayar Labs. La startup Ayar Labs se dedica a la creación de tecnología para chips que utilizan pulsos de luz y obtuvo 155 millones de dólares en financiación de riesgo de AMD Ventures, Intel Capital y Nvidia, con una valoración de 1 millones de dólares, lo que sienta las bases para la producción en masa.

El proceso de fabricación permite interconexiones ópticas avanzadas para IA y supercomputación, y ahora sistemas fotónicos cuánticos complejos en una plataforma de silicio escalable.

Nuestro objetivo era demostrar que es posible construir y estabilizar sistemas fotónicos cuánticos complejos completamente dentro de un chip CMOS. Esto requirió una estrecha coordinación entre dominios que normalmente no se comunican entre sí.

– Daniel Kramnik, estudiante de doctorado en UC Berkeley que dirigió el diseño, empaquetado e integración de chips

La dependencia del chip en las técnicas que ya están en uso significa que no es necesario crear nuevas configuraciones, Sucesivamente, allanando el camino para la escalabilidad computación cuántica.

Invertir en sistemas cuánticos 

El mundo de la tecnología cuántica está avanzando rápidamente y se acerca cada año más a la realidad. Aquí, International Business Machines (IBM ) está entre aquellos que lideran el espacio, particularmente en la computación cuántica. Recientemente, investigadores de IBM® y la startup cuántica Pasqal lanzó un detalles de la moneda², en el que ellos trazado La definición de ventaja cuántica, cómo Las afirmaciones pueden validarse científicamente., y formas de lograrlo.

International Business Machines (IBM )

Este mes, IBM Quantum incluso colaboró con Moderna para modelar la estructura del ARNm mediante simulación cuántica. Para ello, utilizaron 80 cúbits de un procesador IBM Quantum Heron, que ejecutaba un algoritmo especializado con el objetivo de "mejorar la salud humana".

Creemos que es fundamental explorar todas las herramientas disponibles, incluida la computación cuántica, para ampliar nuestro progreso hoy, en lugar de esperar a que la tecnología madure por completo en el futuro.

– Director científico asociado de Moderna para algoritmos y aplicaciones cuánticas, Alexey Galda

El mes pasado, IBM también hizo una gran Anuncio de que está construyendo la primera computadora cuántica a gran escala del mundo que Se espera entregar a los clientes en 2029. 

El ordenador cuántico tolerante a fallos llamado IBM Starling será 20,000 veces más potente que los ordenadores cuánticos existentes y “requeriría la memoria de más de un quindecillón de los superordenadores más potentes del mundo”.

Según la hoja de ruta de la compañía, la llegada de Starling would Seguirá varios hitos, incluida la primera demostración de la "ventaja cuántica" el próximo año, donde las computadoras cuánticas Comenzara a superar Computadoras clásicas en aplicaciones informáticas prácticas.

Pero Antes de eso, IBM Quantum Loon will debutará a finales de este año junto con su chip Nighthawk. Y en algún momento del próximo año, IBM Quantum Kookaburra seguirá su ejemplo. que , que presenta el primer procesador modular de la compañía para almacenar y procesar información codificada. Entonces, IBM Quantum Cockatoo... ser implementado el año siguiente, cuya arquitectura “vinculará chips cuánticos entre sí como nodos en un sistema más grande, evitando la necesidad de construir chips imprácticamente grandes”.

Estos lanzamientos finalmente conducirán al lanzamiento de Starling antes del La década ha terminadoEsta innovación espera ejecutar 100 millones de operaciones cuánticas utilizando 200 cúbits lógicos.

Con Starling, IBM pretende solve desafíos del mundo real, algo La tecnología cuántica aún no ha logrado nada. Según su director ejecutivo, Arvind Krishna, su computadora cuántica también “abrirá inmensas posibilidades para los negocios”.

Según su hoja de ruta, los objetivos de computación cuántica de IBM se extienden más allá de Starling. Blue Jay será la ISA de computación cuántica tolerante a fallos de segunda generación, que no se espera que llegue hasta después de 2033. Luego, la plataforma informática podría escalar hasta mil millones de puertas y 1 qubits lógicos. 

En cuanto al rendimiento de mercado de IBM, con una capitalización de mercado de 262 millones de dólares y proveedor global de nube híbrida, inteligencia artificial y consultoría, sus acciones cotizan actualmente por encima de los 265 dólares, un aumento del 28.29 % en lo que va del año. La compañía paga una rentabilidad por dividendo del 2.38 %.

Más recientemente, la compañía informó sus resultados del segundo trimestre de 2, que mostraron un aumento del 2025% en los ingresos a $ 8 mil millones, $ 17 mil millones en efectivo neto de actividades operativas y un flujo de caja libre de $ 6.1 mil millones.

“Una vez más superamos las expectativas de ingresos, ganancias y flujo de caja libre en el trimestre. IBM sigue estando muy diferenciada en el mercado porque Nuestra profunda innovación y experiencia en el dominio, ambas cruciales para ayudar a los clientes a implementar y escalar la IA. Nuestra cartera de negocios en IA generativa continúa acelerándose y ahora asciende a más de 7.5 millones de dólares”.

– Director ejecutivo Krishna

Entradas International Business Machines Noticias y desarrollos bursátiles de IBM

Conclusión

La tecnología cuántica está avanzando rápidamente, haciendo su camino De un concepto a una industria escalable, impulsada por avances como chips híbridos cuántico-electrónicos-fotónicos. 

Al integrar fuentes de luz cuántica, electrónica estabilizadora y fabricación escalable en un solo chip, el estudio ha de manera óptima creado a plan para el futuro cuántico. Y como sistemas fotónicos cuánticos avanzarLos últimos chips híbridos podrían convertirse en la base de las tecnologías como detección avanzada, redes de comunicación seguras y computación cuántica.

Con IBM construyendo procesadores cuánticos masivos, los tiempos son seguramente emocionantes y la próxima década parece ideal para marcar el punto en que la computación cuántica finalmente produzca un impacto en el mundo real.

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Referencias:

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. Estabilización de retroalimentación escalable de fuentes de luz cuántica en un chip CMOS. Electrónica de la naturaleza, 8, (2025). Publicado en línea el 14 de julio de 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Carriles, O.; Beji, M.; Córcoles, AD; Dalyac, C.; Gambetta, JM; Henriet, L.; Javadi-Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Portero, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Delfín, A.; Peropadre, B. Un marco para la ventaja cuántica. Preimpresión de arXiv arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Publicado en línea el 14 de julio de 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658