Масово вироблювані фотонні чіпи можуть розблокувати квантове масштабування

Інженери Університету Колорадо в Боулдері щойно виявили ключовий крок у впровадженні квантових обчислень – масштабованість. Надзвичайна точність, необхідна для створення квантових пристроїв, не була відтворена у великих масштабах, а це означає, що їх вартість все ще недоступна для більшості людей.

На щастя, ця ситуація має змінитися в найближчі роки, оскільки ця нещодавня розробка використовує традиційні методи виготовлення CMOS для створення стабільних квантових чіпів, які набагато менші та доступніші за будь-що, що доступно сьогодні. Ось що вам потрібно знати.

Квантові та класичні обчислення: фотонна різниця

На відміну від традиційних комп'ютерів, квантові комп'ютери не використовують біти та традиційні чіпи. Натомість вони покладаються на квантову суперпозицію та кубіти для вирішення обчислень. Один з найпопулярніших способів побудови квантових комп'ютерів пов'язаний з використанням оптичних фотонних модуляторів.

Ці пристрої дозволяють квантовим комп'ютерам використовувати захоплені іони або нейтральні атоми як кубіти. Ці чіпи дозволяють інженерам направляти настроюваний лазер на кубіти, які передають операційні інструкції для розрахунків за допомогою частотної модуляції.

Вузьке місце масштабованості: чому масове виробництво зазнало невдачі

Існує кілька проблем із сучасними методами виробництва квантових комп'ютерів. Перш за все, їх немає з точки зору масового виробництва. Ці чіпи настільки чутливі та точні, що в більшості випадків їх потрібно виготовляти в лабораторії індивідуально. Наразі метод складання залежить від того, що інженери збирають більшу частину пристрою вручну.

Крім того, ці пристрої інтегрують потужні лазерні промені для забезпечення можливостей точного налаштування кількох кубітів. Таким чином, вони повинні бути надійними та термостійкими, особливо якщо врахувати, що майбутні квантові комп'ютери зможуть використовувати тисячі кубітів.

Обмеження форм-фактора

Сучасні квантові чіпи занадто великі для використання в більшості застосувань. Вони потребують кріогенного охолодження, довгих оптичних шляхів та рознесених конструкцій кубітів. Така схема справді допомагає зменшити шум, але робить їх надзвичайно великими порівняно з традиційними комп'ютерними чіпами.

Крім того, майбутні покоління квантових комп'ютерів використовуватимуть більше кубітів, а це означає, що найсучасніші квантові комп'ютери сьогодні є лише краплею в морі порівняно з тим, що буде загальнодоступним приблизно через десятиліття. Отже, ці пристрої потрібно буде зменшити до розумного форм-фактора, перш ніж вони досягнуть масового впровадження.

Тепло руйнує квантовий стан

Вся лазерна енергія, яка використовується для зв'язку з кубітами, є ще однією проблемою, оскільки вона створює багато тепла. Тепло завжди було проблематичним для комп'ютерів, незалежно від їхньої конфігурації. Однак квантові комп'ютери покладаються на підтримку крихкого квантового стану для виконання обчислень. Ось чому вони потребують кріогенного охолодження. Отже, тепло може зробити ці пристрої непрацездатними.

Прорив: CMOS-сумісні фотонні схеми

Навчання "Акустооптична фазова модуляція видимого світла на гігагерцовій частоті у фотонній схемі, виготовленій за допомогою КМОП-технології.опубліковано¹ у журналі Nature Communications представляє абсолютно новий підхід до виробництва оптичних квантових чіпів.

Багато хто розглядає новий процес як перший крок до революції фотонних комп'ютерів. Пристрій, який у 100 разів тонший за волосину, інтегрує модульні технології для створення нового рівня ефективності та стабільності.

Цей спеціально розроблений акустооптичний фазовий модулятор гігагерцової частоти поєднує в собі п'єзоелектричний перетворювач і фотонний хвилевід, мінімізуючи форм-фактор, зберігаючи при цьому структуру масштабу довжин хвиль.

Оптичний фазовий модулятор

Удосконалений оптичний фазовий модулятор може керувати лазерним світлом за допомогою мікрохвильових частот. Мікрохвилі змушують світло збуджуватися та вібрувати мільярди разів на секунду, що забезпечує точне налаштування, а також додаткову стабільність та ефективність. Зокрема, акустооптичний модулятор інтегрує фотонний хвилевід, встановлений на п'єзоелектричному перетворювачі.

Виготовлення CMOS дозволяє масове виробництво

Щоб відповідати суворим вимогам до розміру, інженери вирішили створити пристрій на пластині розміром 200 мм, яку потім розрізали на 120 різних мікросхем. У процесі використовувалася п'єзооптомеханічна платформа з нітриду алюмінію та SiNx, що дозволило інженерам використовувати фазову модуляцію для створення бічних смуг гігагерцової частоти на лазерному вхідному випромінюванні з довжиною хвилі 730 нм.

Ще більш вражаючим є те, що для створення пристроїв вони використовували стандартні технології виробництва чіпів, а це означає, що в майбутньому їх можна буде виробляти масово, відкриваючи двері для більшого доступу до квантових обчислень.

Обговорюючи свій підхід, інженери говорили про те, що виготовлення CMOS є вершиною масштабованої технології, і що її використання як засобу створення квантових чіпів має вирішальне значення для подальшого впровадження.

Зокрема, інженери обговорили, як ця технологія зробила можливими багато ваших улюблених високотехнологічних пристроїв, включаючи смартфони, ноутбуки та інші пристрої, від яких ви залежите щодня. Вони пояснили, як вона допомогла поширенню цієї технології та як вона зробить те саме для квантових пристроїв майбутнього.

Джерело - Природа зв'язку

Дворежимна робота: оптичний та електромеханічний

Примітно, що оптичний фазовий модулятор може працювати у двох різних режимах. Перший – це поширений оптичний режим, який поширює та спрямовує фотонні хвилеводи по схемах. Ця стратегія підтримує розподіл заплутаності, маршрутизацію та когерентність, що робить її вирішальною для більшості операцій.

Другий режим — це електрично збудливий дихальний механічний резонанс, який базується на мікрохвилях, що застосовуються до наноструктур, створюючи п'єзоелектричну активацію. Ці мікрохвилі змінюють частоту коливань фотонів та оптичні поля. Примітно, що цей режим підтримує високу оптичну силу, що робить його ідеальним для складних квантових обчислень.

Тести продуктивності: стабільність та ефективність

Інженери провели кілька тестів на радіочастотному спектральному аналізаторі, щоб перевірити вихідний сигнал чіпа. Для виконання цього завдання команда встановила чіп на кронштейні, який мав лазерне джерело, з'єднане з волоконним інтерферометром.

Інший кінець пристрою був підключений до акустооптичного перемикача частоти (AOFS). Інженери пропускали світло через обидва кінці пристрою, а потім рекомбінували його за допомогою спрямованого відгалужувача 50/50. Це дозволяє направляти фотони на аналізатор спектру, підвищуючи точність.

Новий чіп досяг оптичної потужності 730 нм, що перевищує ціль у 500 мВт, встановлену інженерами. Крім того, команда змогла налаштувати геометрію пристрою для подальшого покращення оптомеханічної взаємодії. Цей тест показав глибину модуляції, що досягає 4.85 рад, використовуючи лише мікрохвильову хвилю потужністю 80 мВт, встановлену на частоті 2.31 ГГц.

Вражаюче, що пристрій зафіксував найнижчу втрату частоти серед усіх чіпів на сьогоднішній день. Зокрема, інженери зазначили, що новий чіп був у 15 разів стабільнішим та у 100 разів ефективнішим з точки зору потреб у мікрохвильовій потужності, ніж існуючі квантові чіпи.

Основні переваги виготовлення CMOS

Масове виробництво фотонних чіпів принесе на ринок багато переваг. По-перше, їх можна виготовляти у величезних кількостях, що дозволить технології перейти від ексклюзивного доступу до популярного обчислювального варіанту. Цей метод виготовлення є більш доступним і дозволить інженерам створювати відносно невеликі квантові комп'ютери, що інтегрують тисячі кубітів.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Цей метод виготовлення вперше здатний створювати ідентичні версії цих високотехнологічних, складних пристроїв. Ця можливість означає, що інженери зможуть створювати та поширювати свої майбутні квантові комп'ютери серед мас, використовуючи вже існуючі методи.

Маленький Розмір

Одна з найбільших переваг цієї схеми — її малий розмір. Ці чіпи, які в 100 разів менші за людську волосину, здатні підтримувати потужні квантові комп'ютери. Ці пристрої інтегруватимуть тисячі кубітів, як у IBM. (IBM )Чіп Condor, який обробляє 1,121 кубіт, але має набагато більший форм-фактор завдяки більшому ламінату.

Високі експлуатаційні характеристики

Вражаюче, що ці чіпи можуть забезпечити обчислювальну потужність, що відповідає найсучаснішим машинам сучасного виробництва. Вони можуть підтримувати оптичну потужність понад 500 мВт, що є поточним максимальним показником для високопродуктивних квантових обчислень. Крім того, нова конструкція чіпа підтримує більшу оптичну потужність і точність, споживаючи при цьому значно менше енергії.

Більш ефективний

Фазова модуляція, що використовується в цьому підході, вимагає набагато менше мікрохвильової енергії порівняно з попередниками. Зокрема, інженери зазначили, що їхній пристрій може виконувати квантові дії, використовуючи у 80 разів менше енергії. Отже, він виробляє набагато менше тепла, що дозволяє поєднувати його з більшою кількістю чіпів для створення потужніших пристроїв.

Реальні застосування: сенсорні системи та мережі

Існує кілька застосувань цієї технології. Очевидним використанням буде підтримка майбутніх квантових комп'ютерів. Ці високопродуктивні чіпи достатньо малі, щоб їх можна було щільно упаковувати разом, і достатньо енергоефективні, щоб не створювати проблем з перегрівом у цій конфігурації.

Квантове зондування

Квантові датчики забезпечують набагато більшу точність порівняно з традиційними датчиками. Вони виконують це завдання за допомогою суперпозиції, заплутаності та стискання. Ці дії дозволяють пристрою точно вимірювати зміни магнітних полів, гравітації, часу, температури тощо. Ці чіпи можуть допомогти зробити ці датчики доступнішими.

Квантова мережа

Ще одним ключовим застосуванням є квантові мережі. Ця технологія використовує заплутаність для передачі даних з високою швидкістю. Зокрема, вона застосовує квантові пари Белла та телепортацію для передачі станів без клонування. Мета цієї технології — створити інфраструктуру для квантового інтернету одного дня.

Шлях до комерціалізації: Дорожня карта на 7-10 років

Мине приблизно 7-10 років, перш ніж ця технологія стане доступною для громадськості. Найголовніше, що ця технологія виробництва стане рушійною силою впровадження квантових технологій, але спочатку її необхідно вдосконалити. Однак, після партнерства з потрібним виробником, низьковитратна стратегія сприятиме подальшій інтеграції та впровадженню.

Дослідницька група та фінансування

Університет Колорадо в Боулдері провів дослідження фотонних чіпів за участю Національних лабораторій Сандії. Зокрема, до цієї роботи внесли свій внесок Нільс Т. Оттерстром, Метт Айхенфілд, Джейкоб М. Фрідман, Метью Дж. Сторі, Даніель Домінгес, Ендрю Лінхер та Себастьян Магрі.

Дослідження отримало фінансову та матеріальну підтримку від Міністерства енергетики США через програму Quantum Systems Accelerator, яка проводиться Національним науково-дослідним центром квантової ініціативи.

Цілі майбутніх досліджень

Тепер команда зосередиться на створенні інтегрованих фотонних схем, здатних перевершити попередні показники продуктивності. Група прагне покращити свої можливості генерації та фільтрації частоти на мікросхемах, а також підхід до формування імпульсів для підвищення продуктивності.

Також інженери знайдуть стратегічних партнерів, які допоможуть впровадити їхній метод виробництва. Цей крок означає звернення до провідних виробничих майданчиків CMOS-технологій та забезпечення частини їхнього виробництва для цієї нової конструкції мікросхем.

Найкращі акції квантових обчислень, за якими варто стежити

Сектор квантових обчислень продовжує розширюватися, а конкуренція зростає щомісяця. Сучасні провідні розробники квантових комп'ютерів, виробники мікросхем та програмісти продовжують виводити цю технологію на нові висоти, відкриваючи двері для інновацій у обчислювальній потужності. Ось одна компанія, яка залишається на передовій цієї революції.

IonQ (IONQ): лідер у системах захоплених іонів

IonQ (IONQ ) запущена у 2015 році для розвитку квантових технологій. Компанію заснували два експерти з квантових обчислень, Крістофер Монро та доктор Чунсан Кім. Примітно, що Монро відіграв ключову роль у квантових дослідженнях і вважається піонером у цій галузі.

IonQ допомогла впровадити інновації в цій технології, зокрема створивши перший робочий чіп з 5 іонами ітербію, що працює на алгоритмі Дойча-Йожи. Вона також запустила перший комерційний QCaaS із захопленими іонами. Ці розробки допомогли компанії успішно залучити 636 мільйонів доларів.

Наразі компанія пропонує кілька високорівневих квантових продуктів, включаючи їхню 32-кубітну систему для монтажу в стійку Aria. Крім того, компанія забезпечила стратегічні партнерства з AWS/Azure/Google Cloud та іншими провідними постачальниками хмарних послуг.

Тим, хто шукає авторитетного постачальника квантових обчислень з багаторічним досвідом, варто розглянути можливість проведення додаткових досліджень щодо IonQ. Ринкова капіталізація компанії наразі становить 16.3 млрд доларів. Примітно, що її акції нещодавно зазнали певної волатильності, з максимумом у 84.64 долара та мінімумом у 17.88 долара.

Останні новини та показники акцій IonQ (IONQ)

Висновок

Важливість успішної розробки способу масового виробництва фотонних чіпів неможливо недооцінити. Ця технологія є основою розширення квантових обчислень і потребуватиме вдосконалення, перш ніж вона стане загальнодоступною. Ця остання розробка, безсумнівно, знизить витрати на створення квантових пристроїв, що, у свою чергу, має забезпечити стабільне постачання чіпів на ринок у майбутньому.

Дізнайтеся про інші круті прориви в комп'ютерних технологіях тут.

Посилання

^{1. Фрідман, Дж. М., Сторі, М. Дж., Домінгес, Д., Лінхер, А., Магрі, С., Оттерстром, Н. Т. та Айченфілд, М. (2025). Акустооптична фазова модуляція видимого світла на гігагерцовій частоті у фотонній схемі, виготовленій за допомогою КМОП-технології. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}