Skok kwantowy: pierwszy na świecie hybrydowy układ kwantowo-fotoniczny

Dzięki rosnącemu poziomowi inwestycji i coraz większej liczbie przełomowych odkryć technologia kwantowa jest bliższa niż kiedykolwiek wcześniej, by stała się rzeczywistością. 

Według McKinsey'a trzy główne filary technologii kwantowej to: informatyka kwantowa, komunikacja kwantowa i wykrywanie kwantowe, razem mógłby wygenerować tyle, ile potrzeba $ 97 miliard w przychodach na całym świecie w ciągu najbliższej dekady. 

Technologia zajmuje się zasady mechaniki kwantowej do tworzenia innowacyjnych rozwiązań technologie które przewyższają możliwości klasycznych technologii.

jeden ukończenia obiecujący sposoby Rozwój technologii kwantowych odbywa się za pomocą fotoniki. Dzieje się tak ze względu na jego naturalną zgodność z połączeniami optycznymi w zakresie dystrybucji splątania, odporność na dekoherencję w temperaturze pokojowej i możliwość skurczenia do formatu wielkości układu scalonego.

Fotonika jest nauką o świetle (fotonach) i zajmuje się wytwarzaniem, wykrywaniem i manipulowaniem światłem w różnych zastosowaniach.

W przypadku systemów kwantowo-fotonicznych fotonika krzemowa oferuje najbardziej skalowalną platformę. Mogą Być zbudowany wykorzystując techniki wytwarzania półprzewodników opracowane w branży mikroelektroniki opartej na technologiach CMOS (metal-tlenek-półprzewodnik), która już teraz produkuje układy scalone na dużą skalę.

Chociaż fotonika krzemowa może wkrótce być użytym stworzyć ogromną liczbę kubity fizyczne, niezbędne do osiągnięcia użytecznego przetwarzania informacji kwantowej w zminiaturyzowanych urządzeniach optycznych do generowania i Manipulowanie stanami kwantowymi światła, a także budowa krzemowych układów scalonych kwantowo-fotonicznych stwarzają poważne wyzwania.

Problemy te wiążą się z przesłuchem termicznym, nieliniowością nośników swobodnych i nieliniowością samonagrzewania, a także koniecznością radzenia sobie z ekstremalną wrażliwością na wszelkie zmiany temperatury i procesu. 

Rzecz w tym, że aby krzemowe urządzenia fotoniczne kwantowe funkcjonowały prawidłowo, wymagają ciągłego monitorowania i kontroli za pomocą obwodów elektronicznych. So, nieporęczna elektronika poza układem scalonym ma wykorzystano, który częściowo rozwiązuje te problemy, ale że skutkuje również rezygnacją z wielu korzyści platformy opartej na skali chipa. 

W celu aby w pełni wykorzystać potencjał fotoniki krzemowej jako platformy do przetwarzania informacji kwantowej, muszą rozwiązać klasyczne wąskie gardło sterowania.

Interdyscyplinarny zespół badaczy stworzył elektroniczno-fotoniczny układ kwantowy na chipie. jest sfabrykowany w komercyjnej odlewni mikroelektroniki CMOS 45 nm.

Ten jest pierwszym na świecie hybrydowym układem scalonym łączącym elektronikę, fotonikę i moc kwantową. 

Zastosowanie technologii CMOS czyni te badania jeszcze bardziej godnymi pochwały. Ta technologia półprzewodnikowa stanowi fundament współczesnej elektroniki. Firmy takie jak Samsung, Sony, Intel i TSMC wykorzystują ją do masowej produkcji elektroniki.

Węzeł 45 nm jest natomiast sprawdzony i ekonomiczny. Jest również kompatybilny z szeroką infrastrukturą produkcji krzemu.

Zdaniem zespołu, ich w pełni zintegrowane, modułowe podejście do sterowania „toruje drogę dla fotoniki kwantowej opartej na krzemie, umożliwiając jej osiągnięcie ogromnej skali wymaganej w przyszłych generacjach kwantowych systemów informatycznych”.

Współpraca interdyscyplinarna przybliża technologię kwantową do rzeczywistości

Najnowsze badanie, które oznacza poważny Przełom w technologii kwantowej został przeprowadzony przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Uniwersytetu w Bostonie i Uniwersytetu Northwestern.

„Ten rodzaj współpracy interdyscyplinarnej jest dokładnie tym, czego potrzeba, aby przenieść systemy kwantowe z laboratorium na skalowalne platformy. Nie udałoby nam się tego dokonać bez połączenia wysiłków w dziedzinie elektroniki, fotoniki i pomiarów kwantowych”.

– Prem Kumar, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Northwestern

Badania były wspierane przez Narodową Fundację Naukową. Opublikowano w czasopiśmie Nature Electronics, badanie szczegółowo opisuje system¹ w którym udało się zintegrować kwantowe źródła światła i stabilizującą elektronikę na pojedynczym krzemowym chipie, wytworzonym przy użyciu standardowego procesu półprzewodnikowego 45 nm.

Ta kombinacja jest co umożliwia układowi scalonemu ciągłe generowanie strumieni skorelowanych par fotonów, co jest podstawy różnych zastosowań kwantowych.

Każdy układ krzemowy ma tablicę „fabryk światła kwantowego”, czyli łącznie dwanaście niezależnych źródeł światła kwantowego, które są zasilane Za pomocą światła laserowego. Wykorzystują one również rezonatory mikropierścieniowe do generowania par fotonów. Każde z tych źródeł ma wymiar mniejszy niż milimetr w każdym kierunku..

Ten Stanowi to ważny krok w kierunku rozwoju bardziej złożonych systemów kwantowych składających się z wielu połączonych ze sobą chipów i masowej produkcji chipów „kwantowej fabryki światła”. Według starszego autora badania, Miloša Popovicia, profesora nadzwyczajnego elektrotechniki i inżynierii komputerowej na Uniwersytecie w Buenos Aires:

„Komputery kwantowe, komunikacja i czujniki znajdują się na ścieżce od koncepcji do realizacji, która trwa już dekady. To mały krok na tej drodze – ale ważny, ponieważ pokazuje, że możemy budować powtarzalne i kontrolowane systemy kwantowe w komercyjnych odlewniach półprzewodników”.

Obecnie, na wczesnym etapie rozwoju, technologia kwantowa różni się od istniejących komputerów, które wykorzystują klasyczne bity zerowe lub jedynkowe, wykorzystując bity kwantowe (kubity). 

Te kubity mogą istnieć w superpozycji obu stanów naraz, co pozwala komputerom kwantowym na wykonywanie obliczeń równolegle,, prowadzący do ogromnych przyspieszeń. Tutaj superpozycja is istnienie układu kwantowego w wielu stanach natychmiast. 

Złamanie kodu skalowalności dzięki samodostrajaniu w czasie rzeczywistym

Teraz istnieją różne sposoby technologia kwantowa może być zastosowana, a fotonika jest jedną z nich, gdzie do wykonywania funkcji wymagany jest kontrolowany strumień światła, pojedyncze fotony lub splątane pary fotonów. 

Te stałe strumienie światła kwantowego Są generowane wykorzystując urządzenia takie jak rezonatory mikropierścieniowe i kropki kwantowe.

Rezonatory mikropierścieniowe to precyzyjnie zaprojektowane urządzenia fotoniczne, które umożliwiają generację stanów kwantowych światła na chipie. Są to niezbędne elementy fotoniki krzemowej, ponieważ oferują bardzo wydajny sposób kierowania światłem w skali nanometrycznej. Osiąga się to poprzez pętlenie światło w kółku aby osiągnąć docelową długość fali (rezonans).

Aby wygenerować strumienie światła kwantowego w postaci skorelowanych par fotonów, rezonatory mikropierścieniowe trzeba bądź dostrojony zsynchronizowany z nadchodzącym światłem laserowym zasilającym każde światło kwantowe fabryka na chipie. It jest również używany jako paliwo w procesie wytwarzania.

Rezonatory są jednak bardzo wrażliwe na zmiany temperatury i procesu produkcyjnego. Ten może spowodować ich desynchronizację i zakłócić stałe generowanie światła kwantowego.

Aby zapobiec dotychczasowy zakłócenie generowania światła w przypadku rezonatorów są popychane niezsynchronizowany, zespół zbudował zintegrowany system, który aktywnie stabilizuje źródła światła kwantowego na chipie, w szczególności, rezonatory generujący strumienie skorelowanych fotonów. Źródła światła znajdują się w każdym układzie scalonym i działają równolegle. 

„Najbardziej ekscytuje mnie to, że umieściliśmy sterowanie bezpośrednio na układzie scalonym – stabilizując proces kwantowy w czasie rzeczywistym. To kluczowy krok w kierunku skalowalnych systemów kwantowych”.

– Anirudh Ramesh, doktorant na Northwestern, który kierował pomiarami kwantowymi

Co ciekawe, ekstremalna czułość rezonatorów mikropierścieniowych stanowi fundament kwantowych źródeł światła, a tym samym umożliwia wydajne generowanie strumieni światła kwantowego na minimalnej powierzchni chipa. Jednak nawet niewielkie zmiany temperatury mogą znacząco wpłynąć na… proces generowania par fotonów. 

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy wszczepili system sterowania w czasie rzeczywistym bezpośrednio do układu scalonego. Zintegrowali fotodiody wewnątrz każdego rezonatora w określony sposób, co pozwoliło im monitorować wydajność, a w szczególności wyrównanie z przychodzącym laserem, przy jednoczesnym zachowaniu generacja światła kwantowego.

Tymczasem miniaturowe grzałki i logika sterowania na chipie stale dostosowują rezonans w odpowiedzi na dryft. Dzięki temu, nawet przy zmiennych warunkach, ta wbudowana pętla sprzężenia zwrotnego utrzymuje proces generowania światła kwantowego, powodując… urządzenie zachowuje się przewidywalnie.

Dzięki samostrojeniu wszystkie dwanaście rezonatorów może pracować w idealnej synchronizacji, bez konieczności stosowania dużego sprzętu stabilizującego. Ten To kluczowy punkt, ponieważ jest to kluczowy warunek skalowania systemów kwantowych. Według Imberta Wanga, doktoranta Uniwersytetu Bostońskiego, który kierował projektem urządzenia fotonicznego:

„Kluczowym wyzwaniem w porównaniu z naszymi poprzednimi pracami było dostosowanie projektu fotoniki do wysokich wymagań optyki kwantowej, przy jednoczesnym zachowaniu ścisłych ograniczeń komercyjnej platformy CMOS. Umożliwiło to wspólne projektowanie elektroniki i optyki kwantowej jako zunifikowanego systemu”.

Cały system został wykonany w komercyjnej platformie chipów CMOS 45 nm opracowanej we współpracy między BU, UC Berkeley, GlobalFoundries i Ayar Labs. Startup Ayar Labs zajmuje się tworzeniem technologii chipów wykorzystujących impulsy światła i pozyskał 155 milionów dolarów finansowania venture capital od AMD Ventures, Intel Capital i Nvidii, przy wycenie 1 miliarda dolarów, co „otwiera podwaliny pod produkcję masową”.

Proces produkcyjny umożliwia tworzenie zaawansowanych połączeń optycznych dla sztucznej inteligencji i superkomputerów, i teraz złożone systemy fotoniczne kwantowe na skalowalnej platformie krzemowej.

„Naszym celem było wykazanie, że złożone kwantowe systemy fotoniczne można budować i stabilizować w całości w układzie CMOS. Wymagało to ścisłej koordynacji między domenami, które zazwyczaj nie komunikują się ze sobą”.

- Daniel Kramnik, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, który kierował pracami nad projektowaniem, pakowaniem i integracją układów scalonych

Zależność od układu scalonego dotychczasowy Techniki które są już w użyciu oznacza, że ​​nie ma potrzeby tworzenia nowych konfiguracji, z kolei, torując drogę dla skalowalności informatyka kwantowa.

Inwestowanie w systemy kwantowe 

Świat technologii kwantowej rozwija się w błyskawicznym tempie, z każdym rokiem zbliżając się do rzeczywistości. Tutaj, Międzynarodowe maszyny biznesowe (IBM ) jest pośród tych, którzy prowadzą przestrzeń, szczególnie w zakresie komputerów kwantowych. Niedawno badacze z IBM® i startup kwantowy Pasqal wydał biały papier², w którym oni rozłożone definicja przewagi kwantowej, jak twierdzenia te mogą być naukowo potwierdzonei sposoby jego osiągnięcia.

Międzynarodowe maszyny biznesowe (IBM )

W tym miesiącu IBM Quantum współpracowało z Moderną nad modelowaniem struktury mRNA za pomocą symulacji kwantowej. W tym celu wykorzystano 80 kubitów procesora IBM Quantum Heron, który uruchomił specjalistyczny algorytm mający na celu „poprawę zdrowia ludzkiego”.

„Uważamy, że kluczowe jest wykorzystanie wszystkich dostępnych narzędzi, w tym komputerów kwantowych, aby zwiększyć skalę postępu już dziś, zamiast czekać, aż technologia w pełni dojrzeje w przyszłości”.

– zastępca dyrektora naukowego ds. algorytmów kwantowych i zastosowań w Modernie, Alexey Galda

W zeszłym miesiącu IBM również opublikowało duży ogłoszenie o budowie pierwszego na świecie komputera kwantowego na dużą skalę że firma spodziewa się dostarczyć produkty klientom w 2029 roku. 

Odporny na błędy komputer kwantowy o nazwie IBM Starling będzie 20,000 XNUMX razy wydajniejszy od obecnych komputerów kwantowych i „będzie wymagał pamięci ponad kwindecyliona najpotężniejszych superkomputerów świata”.

Zgodnie z planem działania firmy, przybycie Starling by śledzić kilka kamieni milowych, w tym pierwszą demonstrację „przewagi kwantowej” w przyszłym roku, gdzie komputery kwantowe zacznie się do przewyższać klasyczne komputery w praktycznych zastosowaniach obliczeniowych.

Ale przedtem IBM Quantum Loon będzie zadebiutuje pod koniec tego roku wraz z chipem Nighthawk. A w przyszłym roku w jego ślady pójdzie IBM Quantum Kookaburra że, zawierający pierwszy modułowy procesor firmy służący do przechowywania i przetwarzania zakodowanych informacji. Następnie IBM Quantum Cockatoo zostać rozłożony rok później, którego architektura „połączy ze sobą układy scalone kwantowe niczym węzły większego systemu, unikając konieczności budowania niepraktycznie dużych układów scalonych”.

Te wydania ostatecznie doprowadzą do uruchomienia Starling przed dekada się skończyłaTa innowacja ma na celu przeprowadzenie „100 milionów operacji kwantowych przy użyciu 200 kubitów logicznych”.

Dzięki Starling firma IBM ma zamiar rozwiązać wyzwania realnego świata, coś czego technologia kwantowa jeszcze nie osiągnęła. Według dyrektora generalnego firmy, Arvinda Krishny, ich komputer kwantowy „otworzy również ogromne możliwości dla biznesu”.

Zgodnie z planem działania IBM, cele w zakresie komputerów kwantowych wykraczają poza Starling. Blue Jay będzie odporną na błędy platformą ISA do obliczeń kwantowych drugiej generacji, której pojawienie się nie jest spodziewane przed rokiem 2033. wówczas platforma obliczeniowa będzie mogła skalować się do 1 miliarda bramek i 2,000 kubitów logicznych. 

Jeśli chodzi o wyniki rynkowe firmy IBM o kapitalizacji rynkowej 262 mld dolarów, która jest globalnym dostawcą hybrydowej chmury obliczeniowej, sztucznej inteligencji i ekspertami w zakresie doradztwa, jej akcje są obecnie notowane powyżej 265 dolarów, co oznacza wzrost o 28.29% od początku roku. Spółka wypłaca dywidendę w wysokości 2.38%.

Najnowsze wyniki spółki za drugi kwartał 2 r. wskazują na 2025-procentowy wzrost przychodów do 8 mld USD, 17 mld USD gotówki netto z działalności operacyjnej oraz 6.1 mld USD wolnych przepływów pieniężnych.

„Po raz kolejny przekroczyliśmy oczekiwania pod względem przychodów, zysku i wolnych przepływów pieniężnych w tym kwartale. IBM nadal wyróżnia się na rynku z powodu nasza głęboka innowacyjność i wiedza specjalistyczna są kluczowe w pomaganiu klientom we wdrażaniu i skalowaniu sztucznej inteligencji. Wartość naszego portfela biznesowego w dziedzinie sztucznej inteligencji stale rośnie i wynosi obecnie ponad 7.5 miliarda dolarów.

– Dyrektor generalny Krishna

Najświeższe Międzynarodowe maszyny biznesowe (IBM) Wiadomości i wydarzenia giełdowe

Wniosek

Technologia kwantowa szybko się rozwija, toruje sobie drogę od koncepcji do skalowalnej branży, napędzanej przełomami lubić hybrydowe układy scalone kwantowo-elektronowo-fotoniczne. 

Dzięki integracji źródeł światła kwantowego, elektroniki stabilizującej i skalowalnej produkcji w jednym układzie scalonym, badanie to umożliwiło optymalnie stworzony a projekt kwantowej przyszłości. I jako kwantowe systemy fotoniczne poczynić postępynajnowsze hybrydowe układy scalone mogą stać się podstawą technologii lubić zaawansowane czujniki, bezpieczne sieci komunikacyjne i komputery kwantowe.

Biorąc pod uwagę fakt, że IBM opracowuje potężne procesory kwantowe, czasy są niewątpliwie ekscytujące, a nadchodząca dekada zapowiada się jako doskonała okazja do wyznaczenia momentu, w którym komputery kwantowe w końcu zaczną mieć realny wpływ na świat.

Kliknij tutaj, aby zobaczyć listę największych firm zajmujących się komputerami kwantowymi w roku 2025.

Referencje:

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. Skalowalna stabilizacja ze sprzężeniem zwrotnym źródeł światła kwantowego na układzie CMOS. Elektronika natury, 8, (2025). Opublikowano online 14 lipca 2025 r. 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.; Portera, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. Ramy przewagi kwantowej. Przedruk arXiv arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Opublikowano w Internecie 14 lipca 2025 r. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658