集微环谐振器、片上加热器和嵌入式控制逻辑于一身，这款新芯片可实时管理12个同步量子光源。

在迈向实用量子系统的道路上，波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的研究人员成功制造出世界上第一款集电子、光子和量子功能于一体的芯片。

这项研究展示了一种设备，该设备利用标准的45纳米半导体工艺，将量子光源与稳定电子元件集成在单一平台上。

该芯片能够产生关联光子对（correlated photon pairs）流。这种光粒子对于未来的量子计算、传感和安全通信至关重要。

这是首次使用商用芯片制造技术构建出如此复杂的系统。

“量子计算、通信和传感正经历着从概念走向现实的漫长征程，这可能需要数十年时间，”波士顿大学副教授米洛什·波波维奇（Miloš Popović）说。“这是该征程中的一小步 —— 但却是重要的一步，因为它表明我们可以在商业半导体代工厂中构建出可重复、可控的量子系统。”

每块芯片包含十二个独立的量子光源，每个光源占据面积不足一平方毫米。这些“量子光源工厂”由激光驱动，依靠微环谐振器（microring resonators）来产生光子对。

这些谐振器对温度变化和制造偏差极其敏感，这些变化常常会使它们失步并扰乱光流。

为了解决这个问题，研究团队直接将一个实时控制系统嵌入到芯片上。

“最让我激动的是，我们将控制直接嵌入在芯片上 —— 实时稳定量子过程，”领导量子测量的西北大学博士生阿尼鲁德·拉梅什（Anirudh Ramesh）说。“这是迈向可扩展量子系统的关键一步。”

每个谐振器内部都集成了光电二极管（Photodiodes），用于检测与入射激光的偏差，同时片上加热器和控制逻辑会持续修正任何漂移。即使条件波动，这种反馈回路也能让精密的量子光生成过程保持平稳运行。

标准芯片技术，非凡功能

为了让该系统在严格的商业平台内运行，研究团队必须重新思考量子和经典电子元件如何在芯片上共存。

“与我们之前的工作相比，一个关键挑战是推动光子学设计，既要满足量子光学的严格要求，又要保持在商业CMOS平台的严格限制之内，”领导光子器件设计的波士顿大学博士生王英博（音译）说。

该芯片使用由波士顿大学、加州大学伯克利分校、格罗方德半导体公司（GlobalFoundries）和艾尔实验室（Ayar Labs）共同开发的45纳米CMOS平台制造。

该平台以为人工智能和超级计算机互连提供动力而闻名，如今通过与西北大学的新合作，它也能实现复杂的量子光子学应用。

“我们的目标是证明复杂的量子光子系统可以完全在CMOS芯片内构建并稳定运行，”负责芯片设计和封装的加州大学伯克利分校博士生丹尼尔·克拉姆尼克（Daniel Kramnik）说。“这需要跨领域（通常互不交流的领域）的紧密协作。”

该项目中的数名研究生研究人员已进入业界，在PsiQuantum、Ayar Labs以及Google X等初创公司继续从事硅光子和量子计算的工作。

该研究得到了美国国家科学基金会（NSF）、帕卡德基金会（Packard Fellowship）和格罗方德半导体公司（GlobalFoundries）的支持。

这项研究发表在《自然-电子学》期刊上。

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