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来自波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的一个跨学科的学术团队开发出了首款集成了电子、光子和量子组件的硅芯片。他们的研究成果发表在《自然・电子学》上，这是在量子技术领域的一项重大进展。文中描述了一个将量子光源与稳定电子元件融合的系统，所有这些都是利用标准的 45 纳米半导体工艺制造的。可以看出这种量子芯片与我们经常看到的IBM、英特尔等的工作在低温超导状态之下的硅量子芯片原理完全不同。

这种集成使得该芯片能够产生稳定的关联光子对（光粒子）流，而关联光子对是许多量子应用的基本构建块。这一突破标志着在大规模生产“量子光工厂” 芯片以及开发由多个相互连接的芯片组成的更复杂量子系统方面迈出了重要一步。

在实验期间放置在探针站显微镜下的包含芯片的封装电路板。图片来源：波士顿大学

“量子计算、量子通信和量子传感从概念到现实需要数十年的发展历程，”波士顿大学电气与计算机工程系副教授、该研究资深作者米洛什·波波维奇（Miloš Popović）表示，“这是这条道路上的一小步，但却意义重大，因为它表明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。”

“这项工作所需要的这种跨学科合作，正是将量子系统从实验室推向可扩展平台所必需的，” 西北大学电气与计算机工程教授、量子光学领域的先驱普雷姆・库马尔说，“如果没有电子学、光子学和量子测量领域的共同努力，我们不可能完成这项工作。”

构建基于芯片的“量子光工厂”

正如电子芯片依靠电流、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源单元流来执行其功能。为了实现这一点，研究人员在硅芯片上构建了一个“量子光工厂”阵列，每个“工厂”的尺寸均小于1平方毫米。

在芯片上生成光的量子态需要精密设计的光子器件—— 具体来说，是微环谐振器（英伟达首席执行官黄仁勋最近指出，这种器件是英伟达通过光互连实现其人工智能计算硬件未来扩展的核心）。为了以关联光子对的形式生成量子光流，谐振器必须与为芯片上每个量子光工厂提供动力（并用作生成过程的 “燃料”）的入射激光同步调谐。但这些器件对温度和制造差异极为敏感，这可能导致它们失去同步，并干扰量子光的稳定生成。

为了应对这一挑战，该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—— 特别是那些生成关联光子流的硅基微环谐振器。每个芯片包含 12 个可并行操作的此类光源，即使存在温度漂移以及来自附近器件（包括芯片上其他 11 个光子对光源）的干扰，每个谐振器也必须与其入射激光保持同步。

嵌入实时量子控制

“最让我兴奋的是，我们将控制功能直接嵌入到了芯片上——实时稳定量子过程，”西北大学博士生、负责量子测量的阿尼鲁德·拉梅什（Anirudh Ramesh）表示，“这是迈向可扩展量子系统的关键一步。”

作为量子光源构建块的微环谐振器，其极高的灵敏度是众所周知的，这既是优势也是劣势。正是这种高灵敏度使得它们能够在极小的芯片面积上高效地生成量子光流。然而，微小的温度变化就可能破坏光子对的生成过程。波士顿大学主导的团队通过在谐振器内部集成光电二极管解决了这个问题，这种设计既能监测与入射激光的对准情况，又能保持量子光的生成。芯片上的加热器和控制逻辑会根据漂移情况持续调整谐振状态。

“与我们之前的工作相比，一个关键挑战是推动光子设计满足量子光学的苛刻要求，同时仍要符合商业互补金属氧化物半导体（CMOS）平台的严格限制，”波士顿大学博士生、负责光子器件设计的英伯特·王（Imbert Wang）表示，“这使得电子和量子光学能够作为一个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，因此尽管存在温度变化和制造工艺差异，其表现仍然可预测——这是扩展量子系统的基本要求。该芯片是在一个商业45纳米互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片平台上制造的，该平台最初是通过波士顿大学、加州大学伯克利分校、格芯（GlobalFoundries）和硅谷初创公司艾亚实验室（Ayar Labs）的紧密合作开发的。艾亚实验室源自这两所大学的研究，现已成为光互连芯片领域的行业领导者。通过与西北大学的此次新合作，同样的制造工艺现在不仅能够为人工智能和超级计算提供先进的光互连，而且如该研究所示，还能够在可扩展的硅平台上构建复杂的量子光子系统。

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