盒子网来自波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的团队联合开发出全球首个电子光子量子集成芯片系统，如《 自然电子 》最新一期报道。这是首次使用标准的 45 纳米半导体制造工艺，将量子光源和稳定的控制电子电路集成在单一芯片上。这一成果为“量子光工厂”芯片的大规模生产以及大型量子系统的构建奠定了坚实基础。
该团队表示，这标志着可扩展量子技术发展中的一个关键步骤，证明了在商业半导体晶圆厂中可以构建可重复和可控的量子系统。
正如传统电子芯片依赖于电流，而光通信系统依赖于激光一样，未来的光量子技术将需要稳定的量子光源来进行计算、通信和传感。为此，研究人员在硅芯片上构建了一系列“量子光工厂”——每个面积约为1平方毫米——可以可靠地产生成对的纠缠光子，这是量子信息应用的关键资源。
为了确保谐振器稳定地产生光子对，它们必须与注入的激光高度同步。这些设备对温度波动和制造缺陷非常敏感——任何轻微的偏差都可能导致系统故障。
该团队的解决方案是将主动控制系统直接集成到芯片上，以实时稳定和调整产生光子的微环谐振器。每个芯片包含12个这样的光子源，每个光子源即使在温度变化和相互干扰的情况下也需要精确同步。研究人员在谐振器内部嵌入了光电探测器，以持续监测其与激光的谐振。这配备了片上加热器和控制逻辑电路，可自动微调谐振条件，确保持续的光子对生成。
该项目的一个主要挑战是在遵循严格的商业互补金属氧化物半导体（CMOS）平台设计约束的同时，保持量子光学性能。这从一开始就需要一种协同设计方法——将电子和量子光子学视为一个统一的系统。该芯片基于标准的 45 纳米 CMOS 平台构建，具有内置的反馈稳定机制，可有效减轻温度变化和制造误差引起的干扰。
随着量子光子系统在规模和复杂性上的增长，这种“量子光工厂”芯片预计将成为安全通信网络、先进传感技术和未来量子计算基础设施的关键组件。
