Ra mắt dòng chip lai đầu tiên trên thế giới kết hợp điện tử, quang tử và công nghệ lượng tử

Một nhóm nghiên cứu liên ngành vừa thành công tích hợp nguồn sáng lượng tử và mạch điều khiển điện tử trên cùng một chip silicon.

Trong bước đột phá quan trọng cho công nghệ lượng tử, các nhà khoa học từ Đại học Boston, UC Berkeley và Đại học Northwestern (Hoa Kỳ) đã phát triển thành công loại chip đầu tiên tích hợp đồng thời ba thành phần: điện tử, quang tử và lượng tử. Nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Electronics mô tả hệ thống kết hợp nguồn sáng lượng tử với mạch điện tử ổn định, tất cả được sản xuất bằng quy trình bán dẫn 45-nanometer tiêu chuẩn.

Nhà máy ánh sáng lượng tử thu nhỏ

Tương tự cách chip điện tử vận hành bằng dòng điện hay hệ thống truyền thông quang học dùng laser, các công nghệ lượng tử tương lai sẽ cần nguồn cung cấp photon ổn định. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra mảng các "nhà máy ánh sáng lượng tử" trên chip silicon, mỗi đơn vị có kích thước chưa đến 1mm².

"Điều thú vị nhất là chúng tôi đã nhúng hệ thống điều khiển trực tiếp lên chip - ổn định quá trình lượng tử theo thời gian thực", Anirudh Ramesh, nghiên cứu sinh tại Đại học Northwestern, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết. "Đây là bước quan trọng để phát triển hệ thống lượng tử có thể mở rộng."

Giải pháp ổn định đột phá

Các vi cộng hưởng dạng vòng - thành phần cốt lõi tạo nguồn sáng lượng tử - vốn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nhóm nghiên cứu Đại học Boston đã giải quyết thách thức này bằng cách tích hợp photodiode bên trong cộng hưởng để giám sát sự liên kết với laser đầu vào, đồng thời bố trí bộ gia nhiệt và mạch logic điều chỉnh liên tục.

"Cốt lõi là đẩy thiết kế quang tử đáp ứng yêu cầu khắt khe của quang học lượng tử trong khuôn khổ hạn chế của nền tảng CMOS thương mại", Imbert Wang, nghiên cứu sinh Đại học Boston phụ trách thiết kế thiết bị quang tử, giải thích.

Tiềm năng ứng dụng lớn

Chip được sản xuất bằng quy trình CMOS 45nm - kết quả hợp tác giữa Đại học Boston, UC Berkeley, GlobalFoundries và startup Ayar Labs. Công nghệ này không chỉ ứng dụng cho kết nối quang học trong AI và siêu máy tính, mà giờ đây còn mở đường cho hệ thống quang tử lượng tử phức tạp trên nền tảng silicon có thể mở rộng, xây dựng hệ thống quang tử lượng tử phức tạp hoàn toàn trong chip CMOS

Khi hệ thống quang tử lượng tử ngày càng phát triển, những dòng chip như vậy có thể trở thành nền tảng cho các công nghệ từ mạng truyền thông bảo mật đến cảm biến tiên tiến, và cuối cùng là cơ sở hạ tầng máy tính lượng tử.