Spojení tří zásadně odlišných technologií – klasické elektroniky, fotoniky a kvantové optiky – na jediném křemíkovém čipu se dosud považovalo za velmi náročné, téměř nemožné. Právě to se však nyní podařilo týmu výzkumníků z Boston University, UC Berkeley a Northwestern University. Jejich čip dokáže generovat stabilní proudy kvantového světla – konkrétně spárované fotony – a současně udržovat jejich ladění v reálném čase.

To vše na platformě běžného 45nm CMOS procesu, tedy stejnou technologií, jakou se vyrábějí komerční procesory. Vědci tak poprvé ukázali, že je možné vytvářet složité kvantové systémy mimo čistě laboratorní prostředí a položit tak základ pro sériovou výrobu kvantových zařízení.

Kvantová světelná továrna o velikosti nehtu

Kvantové technologie, jako je kvantová komunikace nebo senzory, vyžadují přesné zdroje světla – a právě tímto směrem se výzkum ubíral. Vědci vytvořili na čipu dvanáct mikroskopických „továren na kvantové světlo“, z nichž každá zabírá méně než jeden milimetr čtvereční.

Zdroj: Shutterstock

Základem těchto světelných zdrojů jsou tzv. mikrokružnicové rezonátory. Ty dokážou díky nelineární optické interakci generovat páry kvantově provázaných fotonů. Ovšem jedině tehdy, pokud jsou dokonale vyladěné vůči vstupnímu laseru. Problém je, že drobné změny teploty nebo výroby rezonátor rozladí – což běžné čipy neumějí kompenzovat.

Řízení v reálném čase přímo na čipu

Klíčovým řešením bylo přidat na čip i kontrolní elektroniku a logiku, která v reálném čase sleduje rezonanci každého světelného zdroje a automaticky ji dolaďuje. Uvnitř rezonátorů jsou umístěny fotodiody, které hlídají správné sladění s laserem, a drobné topné elementy umožňují jemné ladění. Vše probíhá zcela automatizovaně bez zásahu zvenčí.

„Nejvíce mě nadchlo, že jsme tu stabilizaci mohli vložit přímo na čip,“ říká Anirudh Ramesh, doktorand z Northwestern University. „To je rozhodující krok směrem k praktickému škálování kvantových technologií.“ Jeho kolega z Bostonu, Imbert Wang, k tomu dodává, že navrhnout fotonické komponenty tak, aby fungovaly pro kvantové účely a zároveň se vešly do komerčního CMOS procesu, byl náročný úkol – ale právě to otevřelo cestu k průmyslové výrobě.

Průmyslové využití

Čip vznikl díky úzké spolupráci s firmami Ayar Labs a GlobalFoundries. Výrobní technologie byla původně určena pro optické propojování čipů v AI systémech – a nyní umožnila i kvantovou optiku. Právě toto propojení oborů je podle vědců budoucností kvantových technologií. Jak říká Daniel Kramnik z UC Berkeley, jeden z vedoucích autorů, bylo nutné úzce spolupracovat mezi skupinami, které běžně nekomunikují – návrháři čipů, fyziky a inženýry světla.

Mnozí z doktorandů, kteří na projektu pracovali, už nyní působí v klíčových kvantových firmách jako PsiQuantum, Ayar Labs nebo Google X. Jejich kariérní dráha odráží rostoucí důležitost oboru, který propojuje AI a kvantové technologie – a právě díky tomuto čipu o krok blíž k realitě.