Salto quantico: il primo chip ibrido quantistico-fotonico al mondo

Con gli investimenti in forte crescita e le scoperte sempre più innovative, la tecnologia quantistica è più vicina che mai a diventare realtà. 

Secondo McKinsey, i tre pilastri principali della tecnologia quantistica, che sono calcolo quantistico, comunicazione quantistica e rilevamento quantistico, insieme potuto generare il più possibile $ 97 miliardi di entrate in tutto il mondo entro il prossimo decennio. 

La tecnologia si occupa di i principi della meccanica quantistica per creare soluzioni innovative tecnologie che superano le capacità delle tecnologie classiche.

Uno di promettente modi per sviluppare le tecnologie quantistiche si ricorre alla fotonica. Ciò è dovuto alla sua naturale compatibilità con le interconnessioni ottiche per la distribuzione dell'entanglement, alla sua robustezza alla decoerenza a temperatura ambiente e alla sua capacità di essere ridotto in un formato su scala di chip..

La fotonica è la scienza della luce (fotoni) e si occupa della generazione, del rilevamento e della manipolazione della luce per varie applicazioni.

Per i sistemi fotonici quantistici, la fotonica al silicio offre la piattaforma più scalabile. Possono essere costruito utilizzando le tecniche di fabbricazione dei semiconduttori sviluppate nell'industria microelettronica dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS), che produce già chip su larga scala.

Mentre la fotonica del silicio potrebbe presto essere utilizzato per creare un gran numero di qubit fisici, necessario per ottenere un'elaborazione utile delle informazioni quantistiche in dispositivi ottici miniaturizzati per la generazione e manipolare gli stati quantistici della luce, ovvero costruire effettivamente questi circuiti integrati fotonici quantistici al silicio, pone sfide serie.

I problemi sono legati alla diafonia termica, alle non linearità delle portatrici libere e dell'autoriscaldamento, nonché alla necessità di gestire un'estrema sensibilità a qualsiasi variazione di temperatura e di processo. 

Il fatto è che, affinché i dispositivi fotonici quantistici al silicio funzionino correttamente, necessitano di un monitoraggio continuo e di un controllo da parte di circuiti elettronici. So, l'elettronica ingombrante fuori dal chip ha stato usato, che affronta parzialmente i problemi, ma che comporta anche la rinuncia a molti vantaggi di una piattaforma su scala chip. 

Per realizzare il pieno potenziale della fotonica del silicio come piattaforma per l'elaborazione delle informazioni quantistiche, devono risolvere il classico collo di bottiglia del controllo.

Quindi, un team interdisciplinare di ricercatori ha introdotto un sistema quantistico elettronico-fotonico su chip. è fabbricato in una fonderia commerciale di microelettronica CMOS da 45 nm.

Questo è il primo chip ibrido al mondo che combina elettronica, fotonica e potenza quantistica. 

L'utilizzo del CMOS rende la ricerca ancora più encomiabile. Questa tecnologia a semiconduttore è la pietra angolare dell'elettronica moderna. Aziende come Samsung, Sony, Intel e TSMC la utilizzano per la produzione di massa di dispositivi elettronici.

Il nodo a 45 nm, invece, è collaudato ed economico. È anche compatibile con l'ampia infrastruttura di produzione del silicio.

Secondo il team, il loro approccio di controllo modulare e completamente integrato "apre la strada alla fotonica quantistica al silicio per raggiungere l'imponente scala richiesta per le future generazioni di sistemi di informazione quantistica".

La collaborazione interdisciplinare avvicina la tecnologia quantistica alla realtà

L'ultimo studio, che segna un maggiore La svolta nella tecnologia quantistica è stata condotta da ricercatori dell'Università della California, Berkeley, della Boston University e della Northwestern University.

"Il tipo di collaborazione interdisciplinare richiesta da questo lavoro è esattamente ciò che serve per spostare i sistemi quantistici dal laboratorio a piattaforme scalabili. Non avremmo potuto farlo senza gli sforzi congiunti di elettronica, fotonica e misurazione quantistica."

– Prem Kumar, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Northwestern

La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation. Pubblicato su Nature Electronics, il lo studio descrive in dettaglio il sistema¹ che ha integrato con successo sorgenti luminose quantistiche ed elettronica stabilizzante su un singolo chip di silicio, prodotto utilizzando il processo standard per semiconduttori a 45 nm.

Questa combinazione è quello consente al chip di generare flussi di coppie di fotoni correlati costantemente, che sono il fondamento di varie applicazioni quantistiche.

Ogni chip di silicio ha una serie di “fabbriche di luce quantistica”, in totale dodici sorgenti di luce quantistica indipendenti che sono alimentati dalla luce laser. Si avvalgono anche di risonatori a micro-anelli per generare coppie di fotoni. Ciascuna di queste sorgenti ha una dimensione inferiore al millimetro in ciascuna direzione..

Questo Segna un passo importante verso lo sviluppo di sistemi quantistici più complessi composti da più chip interconnessi e la produzione di massa di chip "fabbrica di luce quantistica". Secondo l'autore principale dello studio, Miloš Popović, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la BU:

"L'informatica quantistica, la comunicazione e la rilevazione stanno percorrendo un cammino lungo decenni, passando dall'ideazione alla realtà. Questo è un piccolo passo in questa direzione, ma importante, perché dimostra che possiamo costruire sistemi quantistici ripetibili e controllabili nelle fonderie di semiconduttori commerciali."

Attualmente, nelle prime fasi di sviluppo, la tecnologia quantistica differisce dai computer esistenti, che utilizzano bit classici che sono zero o uno, utilizzando bit quantistici (qubit). 

Questi qubit possono esistere in una sovrapposizione di entrambi gli stati contemporaneamente, consentendo ai computer quantistici di eseguire calcoli in parallelo, a loro volta, principale a massicce accelerazioni. Qui, sovrapposizione is l'esistenza di un sistema quantistico in stati multipli subito. 

Cracking del codice di scalabilità con auto-ottimizzazione in tempo reale

Ora, ci sono diversi modi la tecnologia quantistica può essere applicata, e la fotonica è una di queste, in cui un flusso controllato di luce, singoli fotoni o coppie di fotoni intrecciati, sono necessari per svolgere la loro funzione. 

Questi flussi costanti di luce quantistica sono generati utilizzando dispositivi come i risonatori a microanelli e i punti quantici.

I risonatori a microanello sono dispositivi fotonici progettati con precisione che consentono la generazione di stati quantici di luce su un chip. Questi sono elementi essenziali nella fotonica del silicio, poiché offrono un modo molto efficiente per guidare la luce su scala nanometrica. Ciò si ottiene mediante looping. la luce in un cerchio per raggiungere una lunghezza d'onda mirata (risonanza).

Per generare flussi di luce quantistica sotto forma di coppie correlate di fotoni, i risonatori microring necessario essere sintonizzato in sincronia con la luce laser in arrivo che alimenta ogni luce quantistica fabbrica sul chip. It è anche usato come combustibile per il processo di generazione.

I risonatori, tuttavia, sono molto sensibili alle variazioni di temperatura e di fabbricazione. Questo può causare la loro desincronizzazione e interrompere la generazione costante di luce quantistica.

Impedire , il interruzione della generazione di luce quando i risonatori sono spinti fuori sincrono, il team ha costruito un sistema integrato che stabilizza attivamente le sorgenti di luce quantistica sul chip, in particolare, i risonatori la generazione di flussi di fotoni correlati. Queste sorgenti luminose sono presenti in ogni chip e funzionano in parallelo. 

"Ciò che mi entusiasma di più è che abbiamo integrato il controllo direttamente sul chip, stabilizzando un processo quantistico in tempo reale. Questo è un passo fondamentale verso sistemi quantistici scalabili."

– Anirudh Ramesh, uno studente di dottorato alla Northwestern che ha guidato le misurazioni quantistiche

È interessante notare che l'estrema sensibilità dei risonatori a microanello è in realtà il fondamento delle sorgenti di luce quantistica, la ragione stessa per cui i flussi di luce quantistica possono essere generati in modo efficiente e in una superficie minima del chip. Tuttavia, anche piccole variazioni di temperatura possono avere un impatto significativo. il processo di generazione delle coppie di fotoni. 

Per superare questo problema, i ricercatori hanno impiantato un sistema di controllo in tempo reale direttamente sul chip. Hanno integrato i fotodiodi all'interno di ogni risonatore in un modo specifico, consentendo loro di monitorare le prestazioni, in particolare l'allineamento con il laser in arrivo, preservando la generazione della luce quantistica.

Nel frattempo, i riscaldatori miniaturizzati e la logica di controllo sul chip regolano costantemente la risonanza in risposta alla deriva. Quindi, anche quando le condizioni fluttuano, questo circuito di feedback integrato mantiene attivo il processo di generazione della luce quantistica, causando il dispositivo si comporti in modo prevedibile.

Grazie all'auto-sintonizzazione, tutti e dodici i risonatori possono lavorare insieme in perfetta sincronia, senza bisogno di ingombranti apparecchiature di stabilizzazione. Questo È un punto fondamentale, in quanto è un requisito fondamentale per l'espansione dei sistemi quantistici. Secondo Imbert Wang, dottorando alla Boston University che ha guidato la progettazione del dispositivo fotonico:

Una sfida fondamentale rispetto al nostro lavoro precedente è stata quella di spingere la progettazione fotonica a soddisfare i severi requisiti dell'ottica quantistica, pur rimanendo entro i rigidi vincoli di una piattaforma CMOS commerciale. Ciò ha permesso la progettazione congiunta dell'elettronica e dell'ottica quantistica come sistema unificato.

L'intero sistema è stato fabbricato in una piattaforma commerciale per chip CMOS a 45 nm sviluppata grazie alla collaborazione tra BU, UC Berkeley, GlobalFoundries e Ayar Labs. La startup Ayar Labs è impegnata nello sviluppo di tecnologie per chip che utilizzano impulsi di luce e ha ottenuto 155 milioni di dollari in finanziamenti di venture capital da AMD Ventures, Intel Capital e Nvidia, per una valutazione di 1 miliardo di dollari, che "pongono le basi per la produzione in serie".

Il processo di produzione consente interconnessioni ottiche avanzate per l'intelligenza artificiale e il supercalcolo, e adesso sistemi fotonici quantistici complessi su una piattaforma di silicio scalabile.

"Il nostro obiettivo era dimostrare che sistemi fotonici quantistici complessi possono essere costruiti e stabilizzati interamente all'interno di un chip CMOS. Ciò richiedeva uno stretto coordinamento tra domini che normalmente non comunicano tra loro."

- Daniel Kramnik, uno studente di dottorato presso l'UC Berkeley che ha guidato la progettazione, il confezionamento e l'integrazione dei chip

L'affidamento del chip su , il tecniche che sono già in uso significa che non c'è bisogno di creare nuove configurazioni, a sua volta, aprendo la strada alla scalabilità calcolo quantistico.

Investire nei sistemi quantistici 

Il mondo della tecnologia quantistica sta facendo rapidi progressi e ogni anno che passa si avvicina sempre di più alla realtà. Qui, International Business Machines (IBM ) è tra quelli che guidano lo spazio, in particolare nell'informatica quantistica. Recentemente, i ricercatori di IBM® e la startup quantistica Pasqal ha rilasciato un white paper², in cui loro disposte la definizione di vantaggio quantistico, come le affermazioni possono essere convalidate scientificamentee i modi per raggiungerlo.

International Business Machines (IBM )

Questo mese, IBM Quantum ha persino collaborato con Moderna per modellare la struttura dell'mRNA utilizzando la simulazione quantistica. Per farlo, hanno utilizzato 80 qubit di un processore IBM Quantum Heron, che eseguiva un algoritmo specializzato con l'obiettivo di "migliorare la salute umana".

"Riteniamo che sia fondamentale esplorare tutti gli strumenti disponibili, incluso il calcolo quantistico, per ampliare i nostri progressi oggi, anziché aspettare che la tecnologia raggiunga la piena maturità in futuro."

– Direttore scientifico associato di Moderna per algoritmi e applicazioni quantistiche, Alexey Galda

Il mese scorso, IBM ha anche fatto una big annuncio che sta costruendo il primo computer quantistico su larga scala al mondo che si prevede di consegnare ai clienti nel 2029. 

Il computer quantistico fault-tolerant denominato IBM Starling sarà 20,000 volte più potente dei computer quantistici esistenti e "richiederebbe la memoria di oltre un quindecillion dei supercomputer più potenti del mondo".

Secondo la tabella di marcia dell'azienda, l'arrivo di Starling sarebbe seguire diverse tappe fondamentali, tra cui la prima dimostrazione del "vantaggio quantistico" il prossimo anno, dove i computer quantistici comincerà a superare computer classici nelle applicazioni informatiche pratiche.

Ma prima di allora, IBM Quantum Loon andrete a debutterà più avanti quest'anno insieme al chip Nighthawk. E l'anno prossimo, IBM Quantum Kookaburra seguirà che, dotato del primo processore modulare dell'azienda in grado di memorizzare ed elaborare informazioni codificate. Quindi, IBM Quantum Cockatoo lo farà essere srotolato l'anno successivo, la cui architettura "collegherà i chip quantistici tra loro come nodi di un sistema più grande, evitando la necessità di costruire chip di dimensioni impraticabili".

Queste release porteranno infine al lancio di Starling prima del il decennio è finitoQuesta innovazione spera di eseguire "100 milioni di operazioni quantistiche utilizzando 200 qubit logici".

Con Starling, IBM punta a risolvere sfide del mondo reale, qualcosa la tecnologia quantistica deve ancora raggiungere... Secondo il suo CEO, Arvind Krishna, il loro computer quantistico "sbloccherà immense possibilità per il business".

Secondo la sua roadmap, gli obiettivi di IBM in materia di informatica quantistica vanno oltre Starling. Blue Jay sarà l'ISA di calcolo quantistico di seconda generazione a prova di guasti, la cui uscita non è prevista prima del 2033. quindi la piattaforma di calcolo potrebbe arrivare a comprendere fino a 1 miliardo di porte e 2,000 qubit logici. 

Per quanto riguarda la performance di mercato di IBM, azienda con una capitalizzazione di 262 miliardi di dollari, fornitore globale di cloud ibrido, intelligenza artificiale e consulenza, le sue azioni sono attualmente scambiate a oltre 265 dollari, in rialzo del 28.29% da inizio anno. La società paga un rendimento da dividendi del 2.38%.

Più di recente, la società ha pubblicato i risultati del secondo trimestre del 2, che hanno mostrato un aumento dell'2025% del fatturato, pari a 8 miliardi di dollari, 17 miliardi di dollari di liquidità netta dalle attività operative e un flusso di cassa libero di 6.1 miliardi di dollari.

"Ancora una volta abbiamo superato le aspettative in termini di fatturato, utili e flusso di cassa libero nel trimestre. IBM rimane fortemente differenziata sul mercato a causa di la nostra profonda innovazione e competenza nel settore, entrambe fondamentali per aiutare i clienti a implementare e scalare l'intelligenza artificiale. Il nostro portafoglio di attività nel campo dell'intelligenza artificiale generativa continua ad accelerare e ora supera i 7.5 miliardi di dollari".

– Amministratore delegato Krishna

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Conclusione

La tecnologia quantistica sta avanzando rapidamente, facendosi strada da un concetto a un settore scalabile, guidato da innovazioni come chip ibridi quantistici-elettronici-fotonici. 

Integrando sorgenti di luce quantistica, elettronica stabilizzante e produzione scalabile in un singolo chip, lo studio ha in modo ottimale creato a progetto per il futuro quantistico. E come sistemi fotonici quantistici fare progressi, gli ultimi chip ibridi potrebbero diventare la base delle tecnologie come sensori avanzati, reti di comunicazione sicure e informatica quantistica.

Con IBM che sta sviluppando enormi processori quantistici, i tempi sono sicuramente entusiasmanti e il prossimo decennio sembra destinato a segnare il punto in cui l'informatica quantistica avrà finalmente un impatto nel mondo reale.

Clicca qui per un elenco delle principali aziende di informatica quantistica del 2025.

Riferimenti:

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. Stabilizzazione tramite feedback scalabile di sorgenti luminose quantistiche su un chip CMOS. Elettronica per la natura, 8, (2025). Pubblicato online il 14 luglio 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Corsie, O.; Beji, M.; Corcoles, d.C.; Dalyac, C.; Gambetta, JM; Henriet, L.; Javadi-Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Portiere, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Delfino, A.; Peropadre, B. Un quadro per il vantaggio quantistico. prestampa di arXiv arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Pubblicato online il 14 luglio 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658