三重融合芯片问世：量子计算迈向工业化生产新纪元

抖音热门 2025年07月24日 06:07 0 admin

科学家们在量子技术领域实现了一项具有里程碑意义的突破，成功将电子、光子和量子组件集成到单一硅芯片上。这项由波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学联合完成的研究，标志着量子系统从实验室走向商业化生产的关键转折点。该研究成果发表在《自然电子学》期刊上，展示了利用标准45纳米半导体工艺制造复杂量子光子系统的可行性。

这款革命性芯片能够产生稳定的相关光子对流，这些光粒子是量子应用的基本构建块。更重要的是，该芯片集成了稳定电子系统，能够实时控制量子过程，为大规模"量子光工厂"芯片的生产和更复杂量子系统的开发奠定了基础。

实验过程中放置在探针台显微镜下的封装电路板，其中包含该芯片。图片来源：波士顿大学

波士顿大学电气与计算机工程副教授、该研究的资深作者米洛什·波波维奇表示："量子计算、通信和传感技术正在经历从概念到现实的数十年发展历程。这是这一路径上的一小步，但却是重要的一步，因为它展示了我们可以在商业半导体代工厂中构建可重复、可控制的量子系统。"

工业标准制造工艺的突破

该芯片的关键创新在于采用了完全兼容商业CMOS平台的制造工艺。研究团队在不到一平方毫米的硅芯片上创建了一系列"量子光工厂"阵列，每个工厂都能够独立产生量子光流。这种设计理念类似于电子芯片依靠电流供电、光通信链路依靠激光驱动一样，未来的量子技术将需要稳定的量子光资源单元流来执行其功能。

芯片的核心组件是精密设计的微环谐振器，这些器件最近被英伟达首席执行官黄仁勋确认为英伟达通过光互连扩展AI计算硬件的关键技术。为了生成相关光子对形式的量子光流，这些谐振器必须与为芯片上每个量子光工厂提供动力的入射激光光保持同步。然而，这些器件对温度和制造变化极其敏感，任何偏差都可能破坏量子光的稳定产生。

为解决这一挑战，研究团队构建了一个集成系统，能够主动稳定芯片上的量子光源。每个芯片包含十二个可并行运行的光源，每个谐振器都必须在温度漂移和来自附近器件干扰的情况下与其入射激光光保持同步。

实时量子控制的技术革新

西北大学博士生、负责量子测量的阿尼鲁德·拉梅什说："最令我兴奋的是，我们将控制直接嵌入到芯片上，实时稳定量子过程。这是迈向可扩展量子系统的关键一步。"

微环谐振器的极端敏感性既是福音也是诅咒。正是这种敏感性使它们能够在最小的芯片面积内高效生成量子光流，但温度的微小变化就可能破坏光子对的生成过程。波士顿大学领导的团队通过在谐振器内部集成光电二极管解决了这一问题，这种设计既能监控与入射激光的对准情况，又能保持量子光的产生。芯片上的加热器和控制逻辑能够根据漂移情况持续调整谐振。

波士顿大学博士生、光子器件设计负责人伊姆伯特·王表示："相对于我们之前的工作，一个关键挑战是推动光子学设计满足量子光学的严苛要求，同时保持在商业CMOS平台的严格约束内。这使得电子学和量子光学能够作为统一系统进行协同设计。"

由于芯片使用内置反馈来稳定每个光源，尽管存在温度变化和制造变异，它仍能表现出可预测的行为，这是扩展量子系统的基本要求。该芯片在商业45纳米互补金属氧化物半导体CMOS芯片平台上制造，该平台最初是通过波士顿大学、加州大学伯克利分校、格罗方德和硅谷初创公司Ayar Labs的密切合作开发的。

产业化前景与未来应用

这项研究的意义不仅限于技术层面的突破。加州大学伯克利分校博士生、芯片设计、封装和集成负责人丹尼尔·克拉姆尼克指出："我们的目标是展示复杂的量子光子系统可以完全在CMOS芯片内构建和稳定。这需要通常不会相互对话的领域之间的紧密协调。"

该研究团队的多名研究生已经在工业界继续推进硅光子学和量子技术。约瑟普·玛丽亚·法尔加斯·卡瓦尼利亚斯和阿尼鲁德·拉梅什现在在光子量子计算初创公司PsiQuantum工作，而乔尔杰·格卢霍维奇和西德尼·布赫宾德加入了Ayar Labs。这些职业轨迹反映了硅光子学背后日益增长的势头，无论是在扩展当今的AI计算基础设施方面，还是在长期启用可扩展、基于芯片的量子系统方面。

随着量子光子系统在规模和复杂性方面的发展，像这样的芯片可能成为从安全通信网络到高级传感，最终到量子计算基础设施等技术的构建块。这项研究得到了美国国家科学基金会的支持，包括通过其半导体未来计划，以及帕卡德科学与工程奖学金和催化剂基金会的资助。

这一突破性成就为量子技术的商业化应用开辟了新的可能性，标志着量子系统从昂贵的定制解决方案向可大规模生产的标准化产品的重要转变。