这类芯片，全球首颗

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一个跨学科学术团队成功地将量子光源和控制电子设备集成到单个硅芯片上。

波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的研究人员开发出首款集成电子、光子和量子元件的芯片，这是量子技术的一项重大进展。他们的研究成果发表在《自然电子学》杂志上，描述了一种将量子光源与稳定电子元件融合的系统，所有这些都采用标准的45纳米半导体工艺制造。

这种集成技术使芯片能够产生连续的相关光子对（光粒子）流，而这些光子对是许多量子应用的基本组成部分。这一突破标志着朝着“量子光工厂”芯片的大规模生产以及由多个互连芯片组成的更复杂量子系统的发展迈出了重要一步。

“量子计算、通信和传感从概念到现实，还有几十年的时间，”波士顿大学电气与计算机工程副教授、该研究的资深作者米洛什·波波维奇 (Miloš Popović) 表示。“这只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、可控的量子系统。”

“这项工作所需的跨学科合作正是将量子系统从实验室转移到可扩展平台所需要的，”西北大学电气与计算机工程教授、量子光学先驱普雷姆·库马尔（Prem Kumar）表示。“如果没有电子学、光子学和量子测量领域的共同努力，我们不可能做到这一点。”

• 打造基于芯片的“量子光工厂”
  
  

正如电子芯片由电流驱动，光通信链路由激光驱动一样，未来的量子技术需要源源不断的量子光资源单元来发挥作用。为了满足这一需求，研究人员在硅芯片上创建了一个“量子光工厂”阵列，每个工厂的尺寸都小于1毫米×1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，就是微环谐振器（Nvidia 首席执行官黄仁勋最近指出，这种器件是 Nvidia 未来通过光互连技术扩展其 AI 计算硬件的关键）。为了生成以相关光子对形式出现的量子光流，谐振器必须与为芯片上每个量子光工厂提供能量（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工艺的差异极其敏感，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，可以主动稳定芯片上的量子光源——具体来说，就是产生关联光子流的硅微环谐振器。每个芯片包含12个可并行操作的量子光源，每个谐振器必须与其入射激光保持同步，即使在存在温度漂移和来自附近设备（包括芯片上其他11个光子对源）的干扰的情况下也是如此。

• 嵌入实时量子控制
  
  

“最让我兴奋的是，我们将控制直接嵌入到芯片上，实时稳定量子过程，”领导此次量子测量的西北大学博士生阿尼鲁德·拉梅什 (Anirudh Ramesh) 说道。“这是迈向可扩展量子系统的关键一步。”

众所周知，作为量子光源构建模块的微环谐振器具有极高的灵敏度，这既是优点也是缺点。正因如此，它们才能在最小的芯片面积内高效地产生量子光流。然而，温度的微小变化也可能导致光子对的产生过程脱轨。由波士顿大学领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，这种集成方式既能监测入射激光的对准度，又能保持量子光的产生。片上加热器和控制逻辑会根据漂移不断调整谐振频率。

“与我们之前的工作相比，一个关键挑战是推动光子学设计满足量子光学的严苛要求，同时又要遵循商用CMOS平台的严格限制，”领导此次光子器件设计的波士顿大学博士生Imbert Wang说道。“这使得电子学和量子光学能够作为一个统一的系统进行协同设计。”

由于该芯片采用内置反馈来稳定每个光源，因此即使温度和制造工艺发生变化，其性能也能保持可预测性——这是量子系统规模化发展的基本要求。该芯片采用商用 45 纳米互补金属氧化物半导体 (CMOS) 芯片平台制造，该平台最初由波士顿大学、加州大学伯克利分校、格芯和硅谷初创公司 Ayar Labs 密切合作开发。Ayar Labs 源于两所大学的研究成果，现已成为光互连芯片领域的行业领导者。通过与西北大学的新合作，同样的制造工艺不仅可以实现用于人工智能和超级计算的先进光互连，而且正如研究所示，还可以在可扩展的硅平台上实现复杂的量子光子系统。

“我们的目标是证明复杂的量子光子系统可以完全在CMOS芯片内构建和稳定，”加州大学伯克利分校负责芯片设计、封装和集成的博士生Daniel Kramnik说道。“这需要跨领域紧密协作，而这些领域通常彼此之间并不直接沟通。”

随着量子光子系统规模和复杂性的不断进步，这样的芯片可能成为从安全通信网络到先进传感以及最终量子计算基础设施等技术的基石。

此后，几位研究生作者继续在工业界推进硅光子学和量子技术的发展。Josep Maria Fargas Cabanillas 和 Anirudh Ramesh 目前就职于光子量子计算机初创公司 PsiQuantum，而 Dorđe Gluhović 和 Sidney Buchbinder 则加入了 Ayar Labs。Imbert Wang 目前就职于 Aurora。Daniel Kramnik 目前就职于 Google X，并致力于创办一家硅光子初创公司。这些发展轨迹反映了硅光子学日益增长的势头，不仅在扩展当今的人工智能计算基础设施方面，而且在长期内，它还将助力实现可扩展的基于芯片的量子系统。