| 0 |
|
Вперше вчені з Північно-західного університету, Бостонського університету (BU) і Каліфорнійського університету в Берклі (UC Berkeley) створили фотонну квантову систему в традиційному електронному чіпі.
Цей перший у своєму роді кремнієвий чіп поєднує в собі як квантові компоненти, що генерують світло (фотоніка), так і класичні електронні схеми управління — і все це в корпусі розміром 1х1 мм. Таким чином, чіп не тільки генерує квантове світло, але й має власну вбудовану інтелектуальну електронну систему, яка забезпечує його стабільність.
Ця фотонно-електронна інтеграція дозволяє одному чіпу надійно генерувати потік пар фотонів — базових одиниць, що кодують квантову інформацію, — необхідних для квантового зв'язку, сенсорики та обробки на основі світла.
Чіп був виготовлений комерційним виробником напівпровідників, що демонструє можливість його масового виробництва.
Дослідження було опубліковано в журналі Nature Electronics.
«Квантові експерименти в лабораторії зазвичай вимагають великого, громіздкого обладнання, яке необхідно розміщувати в ідеально чистих умовах», — сказав Аніруд Рамеш (Anirudh Ramesh) з Північно-Західного університету, який керував квантовими вимірами. «Ми взяли багато з цих електронних пристроїв і зменшили їх до розмірів одного чіпа. Тепер у нас є чіп із вбудованим електронним управлінням, який стабілізує квантовий процес у режимі реального часу. Це ключовий крок на шляху до створення масштабованих квантових фотонних систем».
«Вперше нам вдалося досягти монолітної інтеграції електроніки, фотоніки та квантової техніки», — зазначив Прем Кумар (Prem Kumar) з Північно-західного університету, один з провідних авторів дослідження. «Це велике досягнення, тому що об'єднати електроніку і фотоніку не так просто. Це була героїчна праця, в якій об'єдналися знання міждисциплінарної команди фізиків, інженерів-електриків, комп'ютерних вчених, матеріалознавців і експертів у галузі виробництва. Наш чіп може відкрити двері не тільки для обчислень, але і для сенсорних і комунікаційних додатків».
Кумар, експерт в області квантової оптики, є професором електротехніки та комп'ютерної інженерії в Інженерній школі Маккорміка Північно-західного університету, де він керує Центром фотонного зв'язку та обчислень. На момент проведення дослідження Рамеш був аспірантом у лабораторії Кумара; зараз він є інженером з валідації квантових систем в американській компанії PsiQuantum, що займається квантовими обчисленнями.
Рамеш спільно з Даніелюсом Крамніком (Danielius Kramnik) з Каліфорнійського університету в Берклі та Імбертом Вангом (Imbert Wang) з Бостонського університету очолив дослідження. Крамнік, який керував проєктуванням схем і електронною інтеграцією, нещодавно захистив докторську дисертацію в лабораторії Володимира Стояновича (Vladimir Stojanovíc), ад'юнкт-професора електротехніки та комп'ютерних наук в Каліфорнійському університеті в Берклі. Ванг, який керував проєктуванням фотонних пристроїв, нещодавно отримав ступінь доктора наук в лабораторії Мілоша Поповича (Miloš Popović), доцента кафедри електротехніки та комп'ютерних наук в Бостонському університеті.
Завдяки можливості виготовлення за допомогою тих же високопродуктивних процесів, які використовуються для створення мільярдів транзисторів для повсякденної електроніки, кремнієві чіпи є ідеальною платформою для квантових систем на основі світла. Однак для стабільної роботи цих крихітних квантових оптичних пристроїв потрібні можливості, які в даний час не є стандартними для комерційних виробництв. Незначні зміни температури, непомітні виробничі дефекти і навіть тепло, що генерується їх власними компонентами, можуть повністю зруйнувати всю квантову систему. Щоб контролювати ці крихітні відхилення, дослідники покладалися на велике зовнішнє обладнання для стабілізації квантових оптичних пристроїв, що робило мініатюризацію повних систем практично неможливою.
Генерація квантового світла в кремнії, який команда використовувала в своїх пристроях, виготовлених на заводі, була вперше продемонстрована в експерименті, проведеному кілька десятиліть тому в лабораторії Кумара в Північно-західному університеті. У дослідженні 2006 року, опублікованому в журналі Optics Express, Кумар і його колеги вперше продемонстрували, що при направленні сконцентрованого променя світла в крихітні, спеціально спроектовані канали, витравлені в кремнії, природним чином генеруються пари фотонів. Ці пари фотонів нерозривно пов'язані між собою, тому можуть служити кубітами.
У новому дослідженні команда інтегрувала ці крихітні кільцеподібні канали в кремнієвий чіп. Коли потужний лазер світить у ці круглі канали, які називаються мікрокільцевими резонаторами, він генерує пари фотонів. Для управління світлом команда додала фотострумові датчики, які діють як крихітні монітори. Якщо джерело світла зміщується через коливання температури або інші перешкоди, датчики посилають сигнал крихітному нагрівачу, який повертає джерело фотонів в оптимальний стан.
Оскільки чіп використовує вбудований зворотний зв'язок для стабілізації, він поводиться передбачувано, незважаючи на зміни температури і відхилення у виробництві — це важлива вимога для масштабування квантових систем. Крім того, це дозволяє обійтися без великого зовнішнього обладнання.
«Наша мета полягала в тому, щоб показати, що складні квантові фотонні системи можуть бути побудовані і стабілізовані повністю в рамках CMOS-чіпа», — сказав Крамник. «Це вимагало тісної координації між областями, які зазвичай не взаємодіють між собою».
Щоб забезпечити можливість виробництва свого складного квантового чіпа з використанням стандартного CMOS-процесу, вчені застосували розумну стратегію проектування. Вони вбудували фотонні компоненти безпосередньо в наявні структури, які вже використовуються комерційними CMOS-заводами для виробництва комп'ютерних чіпів.
«Ми змусили фотоніку працювати в суворих обмеженнях комерційної CMOS-платформи, — підкреслив Ванг. — Саме це дозволило спільно спроєктувати електроніку і квантову оптику як єдину систему».
У міру зростання масштабів і складності квантових фотонних систем ці інтегровані квантові чіпи можуть стати будівельними блоками для технологій, починаючи від безпечних мереж зв'язку і закінчуючи передовими датчиками і, в кінцевому підсумку, інфраструктурою квантових обчислень.
«Квантові обчислення, зв'язок і датчики проходять десятиліттями шлях від концепції до реальності», — повідомив Попович, старший автор дослідження. «Це невеликий крок на цьому шляху, але важливий, тому що він показує, що ми можемо створювати повторювані, контрольовані квантові системи в комерційних напівпровідникових фабриках».
Дослідження було підтримано Національним науковим фондом, стипендією Паккарда для науки та інженерії і фондом Catalyst. Підтримку у виготовленні чіпів надали Ayar Labs і GlobalFoundries.
Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI
| 0 |
|
