Nature Electronicsに掲載された新しい研究によると、ボストン大学、カリフォルニア大学バークレー校、ノースウェスタン大学の研究者らは、電子、フォトニック、量子コンポーネントを単一の半導体チップ上に統合する統合システムを開発した。これは量子技術の分野では初となる。同チームの研究は、従来の電子機器で一般的に使用されている半導体製造プロセスを使用して「量子光工場」を大量生産する方法を提案している。
新しいチップは、標準の 45nm 半導体プロセスを使用して、量子光源と電子コントローラーを統合します。このアプローチは、従来、実験室環境に限定された手作りデバイスに依存してきたコンピューティング、通信、センシングの分野で量子システムを拡張する道を開きます。
「量子コンピューティング、通信、センシングは、概念から現実になるまでまだ数十年かかります」とボストン大学の電気・コンピュータ工学准教授であり、この研究の主任著者であるミロシュ・ポポヴィッチ氏は述べた。 「これはその道への小さな一歩ですが、商用半導体ファウンドリで再現可能で制御可能な量子システムを構築できることを示すため、重要な一歩です。」
研究の中心となるチップは、マイクロリング共振器として知られる一連の量子光源として機能します。各デバイスは直径 1 ミリメートル未満で、量子演算の重要なリソースである密接に相関した光子のペアを生成できます。
チップを含むパッケージ化された回路基板は、実験中、検出ステーションの顕微鏡下に置かれました。
マイクロリング共振器は入射レーザー光と同期して動作しますが、その性能はわずかな温度変動や製造上の変更にも非常に敏感であり、これらの要因によってサポートされる繊細な量子プロセスが簡単に中断される可能性があります。
これらの課題に対処するために、研究者らは、マイクロリング共振器をリアルタイムで安定化できる統合制御システムを開発しました。このチップには並列動作できる 12 個の共振器が含まれており、それぞれの共振器は内蔵フォトダイオードによって監視され、レーザーとの位置合わせを追跡します。温度変化やその他の外乱が共振器の性能に影響を与えると、オンチップのヒーターと論理回路が共振器を自動的に調整します。
「私が最も興奮しているのは、量子プロセスをリアルタイムで安定させるために、チップ上に直接制御を埋め込んでいることです」と、量子測定を主導したノースウェスタン大学の博士課程の学生、アニルー・ラメシュ氏は語った。 「これはスケーラブルな量子システムに向けた重要な一歩です。」
安定性を重視することは、さまざまな条件下で各光源が確実に動作することを保証するために非常に重要です。ボストン大学で光デバイス設計を専攻する博士課程の学生であるインバート・ワン氏は、技術的な複雑さを強調した。
「私たちの以前の研究とは対照的に、重要な課題は、商用CMOSプラットフォームの厳しい制限内に留まりながら、量子光学の厳しい要件を満たすフォトニクス設計を推進することでした。これにより、エレクトロニクスと量子光学を統合システムとして共同設計することが可能になります。」
左、中央、右：大学院生著者のインバート・ワン、ダニエル・クラムニク、ジョセップ・ファルガス、左から2人目と右から2人目：この研究の上級著者であるミロス・ポポビッチ教授とプレム・クマール教授。
各光源の厳密なフィードバック制御により、チップは温度変動や小さな製造上の差異があっても一貫したパフォーマンスを維持します。デバイス全体は商用の相補型金属酸化物半導体プロセスを使用して製造され、GlobalFoundries やシリコンバレーの新興企業である Ayar Labs などの業界パートナーと協力して開発されました。
このプロジェクトには、分野を超えた深い協力が必要でした。ノースウェスタン大学の教授で量子光学の先駆者であるプレム・クマール氏は、「この研究に必要な学際的な協力は、まさに量子システムを実験室からスケーラブルなプラットフォームに移行するために必要なものだ」と述べた。 「エレクトロニクス、フォトニクス、量子測定の分野の協力がなければ、これを実現することはできなかったでしょう。」