Quantum Leap: Dünyanın İlk Hibrit Kuantum-Fotonik Çipi

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

McKinsey'e göre kuantum teknolojisinin üç ana ayağı şunlardır: kuantum hesaplama, kuantum iletişimi ve kuantum algılama, birlikte olabilir olabildiğince çok üretmek Gelirdeki 97 milyar dolar Önümüzdeki on yıl içerisinde dünya çapında. 

Teknoloji ile fırsatlar Kuantum mekaniğinin prensipleri yenilikçi çözümler yaratmak için teknolojileri Klasik teknolojilerin yeteneklerini aşan.

Bir arasında umut verici yolları Kuantum teknolojilerinin geliştirilmesinin yolu fotoniktir. Bunun nedeni, optik ara bağlantılarla doğal uyumluluğu, oda sıcaklığında dekoheransa karşı dayanıklılığı ve çip ölçeğinde bir biçime küçültülebilme yeteneğidir..

Fotonik, ışığın (fotonların) bilimidir ve çeşitli uygulamalar için ışığın üretilmesi, algılanması ve yönlendirilmesiyle ilgilenir.

Kuantum fotonik sistemler için silikon fotonik en ölçeklenebilir platformu sunar. inşa edilmek Zaten büyük ölçekte çip üreten tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) mikro-elektronik endüstrisinde geliştirilen yarı iletken üretim tekniklerini kullanarak.

Silikon fotonik yakında kullanılabilir çok sayıda yaratmak fiziksel kübitlerMinyatür optik aygıtlarda yararlı kuantum bilgi işlemeyi elde etmek için gerekli olan, üretmek ve Işığın kuantum durumlarını manipüle etmek, aslında bu silikon kuantum-fotonik entegre devreleri inşa etmek ciddi zorluklar ortaya çıkarıyor.

Sorunlar, termal çapraz konuşma, serbest taşıyıcı ve kendi kendine ısınan doğrusal olmayanlıklar ve sıcaklık ve süreçteki herhangi bir değişime karşı aşırı duyarlılığı yönetme gereksinimi ile ilgilidir. 

İşin aslı, silikon kuantum fotonik aygıtların düzgün çalışabilmesi için sürekli olarak izlenmesi ve elektronik devreler tarafından kontrol edilmesi gerekiyor. So, hantal çip dışı elektronikler kullanılmış, sorunları kısmen ele alıyor, ancak o Ayrıca çip ölçeğindeki bir platformun pek çok avantajından da vazgeçmek anlamına geliyor. 

Için kuantum bilgi işleme platformu olarak silikon fotoniklerin tüm potansiyelini gerçekleştiriyoruz zorunda Klasik kontrol darboğazını çözmek.

Bu nedenle, disiplinlerarası bir araştırmacı ekibi, çip üzerinde elektronik-fotonik kuantum sistemi geliştirdi. fabrikasyon ticari bir 45-nm CMOS mikroelektronik dökümhanesinde.

Bu elektronik, fotonik ve kuantum gücünü bir araya getiren dünyanın ilk hibrit çipidir. 

CMOS kullanımı araştırmayı daha da takdire şayan kılıyor. Bu yarı iletken teknolojisi, modern elektroniğin temel taşıdır. Samsung, Sony, Intel ve TSMC gibi şirketler, seri elektronik üretiminde CMOS'u kullanmaktadır.

45 nm düğüm ise kanıtlanmış ve uygun maliyetlidir. Ayrıca, silikon üretiminin geniş altyapısıyla da uyumludur.

Ekibin açıklamasına göre, tamamen entegre, modüler kontrol yaklaşımı, "silikon kuantum fotoniklerinin gelecek nesil kuantum bilgi sistemleri için gereken büyük ölçeğe ulaşmasının yolunu açıyor."

Disiplinlerarası İş Birliği, Kuantum Teknolojisini Gerçeğe Yaklaştırıyor

Son araştırma, bir dönüm noktasını işaret ediyor büyük Kuantum teknolojisindeki çığır açıcı buluş, UC Berkeley, Boston Üniversitesi ve Northwestern Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından gerçekleştirildi.

"Bu çalışmanın gerektirdiği disiplinlerarası iş birliği, kuantum sistemlerini laboratuvardan ölçeklenebilir platformlara taşımak için tam da ihtiyaç duyulan şeydir. Elektronik, fotonik ve kuantum ölçümündeki ortak çabalar olmadan bunu başaramazdık."

– Northwestern Üniversitesi'nde elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü olan Prem Kumar

Araştırma Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi. Nature Electronics'te yayınlanan çalışma sistemin ayrıntılarını veriyor¹ Standart 45 nm yarı iletken işlemi kullanılarak üretilen tek bir silikon çip üzerine kuantum ışık kaynaklarını ve dengeleyici elektroniği başarıyla entegre eden bir şirket.

Bu kombinasyon ne olduğunu çipin sürekli olarak ilişkili foton çiftleri akışları üretmesini sağlar, bu da vardır çeşitli kuantum uygulamalarının temeli.

Her silikon çipin bir dizi "kuantum ışık fabrikası" vardır, toplamda on iki bağımsız kuantum ışık kaynağı güçlendirilmiş Lazer ışığıyla. Ayrıca foton çiftleri oluşturmak için mikro halka rezonatörlerine de ihtiyaç duyarlar. Bu kaynakların her birinin her yönde bir milimetreden daha küçük bir boyutu vardır..

Bu Bu, birbiriyle bağlantılı birden fazla çipten oluşan daha karmaşık kuantum sistemlerinin geliştirilmesi ve "kuantum ışık fabrikası" çiplerinin seri üretimine doğru önemli bir adım teşkil ediyor. Çalışmanın kıdemli yazarı ve Boğaziçi Üniversitesi'nde elektrik ve bilgisayar mühendisliği doçenti olan Miloš Popović'e göre:

Kuantum hesaplama, iletişim ve algılama, konseptten gerçeğe uzanan onlarca yıllık bir yolculukta. Bu, bu yolda küçük ama önemli bir adım, çünkü ticari yarı iletken dökümhanelerinde tekrarlanabilir, kontrol edilebilir kuantum sistemleri inşa edebileceğimizi gösteriyor.

Şu anda, gelişiminin erken aşamalarında olan kuantum teknolojisi, sıfır veya bir olan klasik bitleri kullanan mevcut bilgisayarlardan, kuantum bitleri (qubitler). 

Bu kübitler her iki durumun da süperpozisyonunda var olabilir aynı zamandakuantum bilgisayarların paralel olarak hesaplamalar yapmasına olanak tanır, önemli büyük hızlanmalara. Burada, üst üste binme is birden fazla durumda bir kuantum sisteminin varlığı bir kerede. 

Gerçek Zamanlı Öz Ayarlama ile Ölçeklenebilirlik Kodunu Kırmak

Şimdi, farklı yollar var kuantum teknolojisi uygulanabilirve fotonik bunlardan biridir; işlevlerini yerine getirebilmeleri için kontrollü bir ışık akışı, tek fotonlar veya dolaşık foton çiftleri gerekir. 

Bu sabit kuantum ışık akışları Üretilir mikro halka rezonatörler ve kuantum noktaları gibi cihazlar kullanarak.

Mikro halka rezonatörler, bir çip üzerinde ışığın kuantum durumlarının üretilmesine olanak sağlayan hassas bir şekilde tasarlanmış fotonik cihazlardır. Bunlar, nanometre ölçeğinde ışığı yönlendirmenin çok verimli bir yolunu sundukları için silikon fotonikte olmazsa olmaz unsurlardır. Bu, döngüleme yoluyla elde edilir. ışık bir daire içinde hedeflenen dalga boyuna (rezonans) ulaşmak.

Foton çiftleri şeklinde kuantum ışık akımları üretmek için mikro halka rezonatörleri gerekir ayarlı olmak her kuantum ışığını çalıştıran gelen lazer ışığıyla senkronize fabrika çip üzerinde. It ayrıca kullanılır üretim sürecinde yakıt olarak kullanılır.

Ancak rezonatörler sıcaklık ve üretimdeki değişikliklere karşı çok hassastır. Bu bunların senkronizasyonunun bozulmasına ve kuantum ışığının istikrarlı üretiminin bozulmasına neden olabilir.

Önlemek the rezonatörler ışık üretiminin bozulmasına neden olur itilir senkronize olmayan ekip, çip üzerindeki kuantum ışık kaynaklarını aktif olarak stabilize eden entegre bir sistem oluşturdu. özellikle, rezonatörler üreten ilişkili foton akımları. Bu ışık kaynakları her çipte mevcut olup paralel olarak çalışırlar. 

"Beni en çok heyecanlandıran şey, kontrolü doğrudan çipe yerleştirmiş olmamız; bir kuantum sürecini gerçek zamanlı olarak stabilize edebiliyor olmamız. Bu, ölçeklenebilir kuantum sistemlerine doğru kritik bir adım."

– Northwestern'de kuantum ölçümlerine öncülük eden doktora öğrencisi Anirudh Ramesh

İlginçtir ki, mikro halka rezonatörlerinin aşırı hassasiyeti aslında kuantum ışık kaynaklarının temelidir ve kuantum ışık akımlarının verimli bir şekilde ve minimum çip alanında üretilebilmesinin nedenidir. Ancak, sıcaklıktaki küçük değişiklikler bile önemli ölçüde etkileyebilir. foton çifti üretim süreci. 

Araştırmacılar bu sorunu aşmak için çipin üzerine gerçek zamanlı bir kontrol sistemi yerleştirdiler. Her rezonatörün içine belirli bir şekilde fotodiyotlar entegre ettiler ve bu sayede performansı, özellikle gelen lazerle hizalamayı izleyebildiler ve aynı zamanda kuantum ışık üretimi.

Bu arada, çip üzerindeki minyatür ısıtıcılar ve kontrol mantığı, kaymaya tepki olarak rezonansı sürekli olarak ayarlar. Dolayısıyla, koşullar dalgalansa bile, bu yerleşik geri bildirim döngüsü kuantum ışık üretim sürecini sürdürerek cihazın öngörülebilir şekilde davranmasını sağlamak.

Kendi kendini ayarlama özelliği, herhangi bir hantal stabilizasyon ekipmanına ihtiyaç duymadan, on iki rezonatörün mükemmel bir senkronizasyonla birlikte çalışmasını sağlar. Bu Kuantum sistemlerinin ölçeklendirilmesi için temel bir gereklilik olduğu için önemli bir nokta. Boston Üniversitesi'nde fotonik cihaz tasarımına öncülük eden doktora öğrencisi Imbert Wang'a göre:

"Önceki çalışmalarımıza kıyasla karşılaştığımız en önemli zorluk, fotonik tasarımını, ticari bir CMOS platformunun katı kısıtlamaları dahilinde kalarak kuantum optiğinin zorlu gereksinimlerini karşılayacak şekilde geliştirmekti. Bu, elektronik ve kuantum optiğinin birleşik bir sistem olarak ortak tasarlanmasını sağladı."

Tüm sistem imal edildi BU, UC Berkeley, GlobalFoundries ve Ayar Labs iş birliğiyle geliştirilen ticari bir 45 nm CMOS çip platformunda. Işık darbeleri kullanan çipler için teknoloji geliştirme alanında faaliyet gösteren girişim Ayar Labs, AMD Ventures, Intel Capital ve Nvidia'dan 155 milyar dolar değerlemeyle 1 milyon dolar girişim sermayesi sağladı ve bu da "toplu üretim için zemin hazırladı."

Üretim süreci, yapay zeka ve süper bilgisayarlar için gelişmiş optik ara bağlantıların kurulmasını mümkün kılıyor. ve şimdi Ölçeklenebilir bir silikon platform üzerinde karmaşık kuantum fotonik sistemler.

"Amacımız, karmaşık kuantum fotonik sistemlerinin tamamen bir CMOS çipi içinde inşa edilip stabilize edilebileceğini göstermekti. Bu, genellikle birbirleriyle iletişim kurmayan alanlar arasında sıkı bir koordinasyon gerektiriyordu."

- UC Berkeley'de çip tasarımı, paketleme ve entegrasyonuna öncülük eden doktora öğrencisi Daniel Kramnik

Çipin güvenilirliği the teknikleri zaten kullanımda olanlar yeni kurulumlar oluşturmaya gerek olmadığı anlamına gelir, sırayla, ölçeklenebilirliğin önünü açmak kuantum hesaplama.

Kuantum Sistemlerine Yatırım Yapmak 

Kuantum teknolojisi dünyası hızla ilerliyor ve her geçen yıl gerçeğe biraz daha yaklaşıyor. Burada, Uluslararası İş Makineleri (IBM ) Arasında önde gelenler uzay, özellikle kuantum hesaplamada. Son zamanlarda araştırmacılar IBM® ve kuantum girişimi Pasqal bir Beyaz kağıt², içinde onlar ortaya koydu kuantum avantajının tanımı, nasıl iddialar bilimsel olarak doğrulanabilirve buna ulaşmanın yolları.

Uluslararası İş Makineleri (IBM )

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

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

– Moderna Kuantum Algoritmaları ve Uygulamaları Yardımcı Bilimsel Direktörü Alexey Galda

IBM, geçen ay da bir büyük dünyanın ilk büyük ölçekli kuantum bilgisayarını inşa ettiğini duyurdu o 2029 yılında müşterilerine teslim etmeyi planlıyor. 

IBM Starling adı verilen hata toleranslı kuantum bilgisayarı, mevcut kuantum bilgisayarlarından 20,000 kat daha güçlü olacak ve "dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarından on beşte birinden fazlasının belleğine ihtiyaç duyacak."

Şirketin yol haritasına göre Starling'in gelişi olur Önümüzdeki yıl kuantum bilgisayarlarının 'kuantum avantajı'nın ilk gösteriminin yapılacağı birkaç dönüm noktasını takip edin başlayacak için aşmak Klasik bilgisayarların pratik hesaplama uygulamalarında kullanımı.

Fakat ondan önce IBM Quantum Loon irade bu yılın ilerleyen dönemlerinde Nighthawk çipiyle birlikte piyasaya sürülecek. Ve gelecek yılın bir zamanında IBM Quantum Kookaburra da bunu takip edecek oŞirketin kodlanmış bilgileri depolamak ve işlemek için kullandığı ilk modüler işlemciyi içeriyor. Daha sonra IBM Quantum Cockatoo dışarı çıkarılmak bundan sonraki yıl, mimarisi "kuantum çiplerini daha büyük bir sistemdeki düğümler gibi birbirine bağlayacak ve böylece pratik olmayan büyüklükte çipler inşa etme ihtiyacını ortadan kaldıracak."

Bu sürümler, nihayetinde Starling'in piyasaya sürülmesinden önce piyasaya sürülmesine yol açacaktır. on yıl bittiBu yeniliğin "100 mantıksal kübit kullanarak 200 milyon kuantum işlemi" gerçekleştirmesi bekleniyor.

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

IBM'in yol haritasına göre kuantum bilişim hedefleri Starling'in ötesine uzanıyor. Blue Jay, 2033'ten önce gelmesi beklenmeyen ikinci nesil hata toleranslı kuantum hesaplama ISA'sı olacak. Daha sonra, hesaplama platformu 1 milyar kapıya ve 2,000 mantıksal kübite kadar ölçeklenebilir. 

Küresel hibrit bulut, yapay zeka ve danışmanlık uzmanlığı sağlayıcısı olan ve 262 milyar dolarlık piyasa değerine sahip IBM'in piyasa performansına bakıldığında, şirketin hisseleri şu anda %265'luk bir artışla 28.29 milyar doların üzerinde işlem görüyor. Şirket, %2.38 temettü getirisi sağlıyor.

Şirket en son 2'in 2025. çeyrek sonuçlarını açıkladı ve gelirlerin %8 artışla 17 milyar dolara, faaliyetlerden elde edilen net nakit miktarının 6.1 milyar dolara ve serbest nakit akışının 4.8 milyar dolara ulaştığını gösterdi.

“Çeyrekte gelir, kâr ve serbest nakit akışında beklentilerimizi bir kez daha aştık. IBM pazarda oldukça farklılaşmaya devam ediyor yüzünden Müşterilerimizin yapay zekayı konuşlandırmasına ve ölçeklendirmesine yardımcı olmakta kritik öneme sahip olan derin inovasyonumuz ve alan uzmanlığımız. Üretken yapay zeka iş portföyümüz hızlanmaya devam ediyor ve şu anda 7.5 milyar doları aşmış durumda.”

– CEO Krishna

En Son Eklenenler Uluslararası İş Makineleri (IBM) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeleri

Sonuç

Kuantum teknolojisi hızla ilerliyor, yolunu yapıyor bir konseptten, çığır açan buluşlarla yönlendirilen ölçeklenebilir bir sektöre sevmek hibrit kuantum-elektronik-fotonik çipler. 

Kuantum ışık kaynaklarını, dengeleyici elektroniği ve ölçeklenebilir üretimi tek bir çipe entegre ederek, çalışma optimal çevrimiçi kurslar düzenliyorlar. a kuantum geleceğinin planı. Ve benzeri kuantum fotonik sistemler ilerlemekEn son hibrit çipler teknolojilerin temeli olabilir sevmek gelişmiş algılama, güvenli iletişim ağları ve kuantum hesaplama.

IBM'in devasa kuantum işlemciler üretmesiyle birlikte heyecan verici zamanlar yaşanıyor ve önümüzdeki on yıl, kuantum hesaplamanın gerçek dünyada nihayet etki yaratacağı noktayı işaretleyecek gibi görünüyor.

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, JE; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. CMOS Çip Üzerindeki Kuantum Işık Kaynaklarının Ölçeklenebilir Geri Beslemeli Sabitlenmesi. Doğa Elektroniği, 8, (2025). 14 Temmuz 2025'te çevrimiçi olarak yayınlandı. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, AD; Dalyaç, C.; Gambetta, JM; 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). 14 Temmuz 2025'te çevrimiçi yayınlandı. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658