Un balzo avanti nel calcolo quantistico: il primo chip elettronico-fotonico-quantistico integrato

Ricercatori di Boston University, UC Berkeley e Northwestern University hanno sviluppato il primo chip elettronico-fotonico-quantistico integrato. Questo studio, pubblicato su Nature Photonics, segna un passo significativo verso la realizzazione di sistemi quantistici pratici, combinando sorgenti di luce quantistica con elettronica di stabilizzazione su un’unica piattaforma utilizzando un processo di semiconduttori standard da 45 nanometri.

Il cuore della ricerca: produzione e stabilizzazione di fotoni correlati

Il chip è in grado di produrre flussi di coppie di fotoni correlate, particelle di luce essenziali per il futuro del calcolo quantistico, del rilevamento e delle comunicazioni sicure. Ricordiamo che il fenomeno dell’entanglement quantistico “collega” i due fotoni, facnedo si che non si può spiegare lo stato di uno dei due senza conoscere lo stato dell’altro.

Ciò che rende questa innovazione particolarmente rilevante è che un sistema così complesso è stato realizzato utilizzando tecniche di produzione di chip commerciali, un aspetto cruciale per la scalabilità e la riproducibilità.

“Il calcolo quantistico, la comunicazione e il rilevamento sono su un percorso decennale dal concetto alla realtà”, ha affermato Miloš Popović, professore associato alla Boston University. “Questo è un piccolo passo su quel percorso, ma importante, perché mostra che possiamo costruire sistemi quantistici ripetibili e controllabili in fonderie di semiconduttori commerciali.”

Ogni chip ospita dodici sorgenti di luce quantistica indipendenti, ciascuna delle quali occupa meno di un millimetro quadrato. Queste “fabbriche di luce quantistica” sono alimentate da luce laser e utilizzano risonatori a microring per generare le coppie di fotoni. I risonatori sono però estremamente sensibili alle variazioni di temperatura e alle tolleranze di produzione, fattori che possono facilmente disallinearli e interrompere il flusso di luce.

Per ovviare a questo problema, il team ha integrato un sistema di controllo in tempo reale direttamente sul chip. “Ciò che mi entusiasma di più è che abbiamo incorporato il controllo direttamente sul chip, stabilizzando un processo quantistico in tempo reale”, ha dichiarato Anirudh Ramesh, studente di dottorato alla Northwestern che ha guidato le misurazioni quantistiche. “Questo è un passo fondamentale verso sistemi quantistici scalabili.”

Sono stati integrati fotodiodi all’interno di ciascun risonatore per rilevare disallineamenti con la luce laser in ingresso, mentre riscaldatori e logica di controllo on-chip hanno corretto continuamente qualsiasi deriva. Questo circuito di feedback mantiene il delicato processo di generazione di luce quantistica in funzione senza intoppi anche quando le condizioni fluttuano.

Chip quantistico

Tecnologia standard, funzionalità straordinarie

Una delle sfide principali affrontate dal team è stata la necessità di far coesistere l’elettronica quantistica e quella classica sul chip, rispettando i severi vincoli di una piattaforma commerciale. “Una sfida chiave rispetto al nostro lavoro precedente è stata spingere la progettazione fotonica per soddisfare i requisiti esigenti dell’ottica quantistica, rimanendo all’interno dei rigidi vincoli di una piattaforma CMOS commerciale”, ha spiegato Imbert Wang, studente di dottorato alla Boston University che ha guidato la progettazione del dispositivo fotonico.

Il chip è stato realizzato utilizzando una piattaforma CMOS da 45 nanometri, originariamente co-sviluppata da BU, UC Berkeley, GlobalFoundries e Ayar Labs. Questa stessa piattaforma, nota per alimentare interconnessioni AI e supercomputing, ora consente la complessa fotonica quantistica grazie alla nuova collaborazione con Northwestern.

“Il nostro obiettivo era dimostrare che sistemi fotonici quantistici complessi possono essere costruiti e stabilizzati interamente all’interno di un chip CMOS”, ha affermato Daniel Kramnik, studente di dottorato all’UC Berkeley che ha supervisionato la progettazione e il packaging del chip. “Ciò ha richiesto una stretta coordinazione tra domini che di solito non comunicano tra loro.”

L’importanza di questa ricerca risiede nella sua dimostrazione che i sistemi fotonici quantistici possono essere resi robusti e scalabili attraverso l’integrazione con l’elettronica di controllo in tempo reale. Le cavità a microring, pur essendo efficienti per la generazione di coppie di fotoni, sono intrinsecamente sensibili a variazioni del processo di fabbricazione e della temperatura.

L’approccio di questo studio, che include il rilevamento della fotocorrente non invasivo per bloccare attivamente la sorgente a microring a una pompa laser a lunghezza d’onda fissa, risolve questo problema critico. Questa capacità di operare in un ambiente pratico, con molte sorgenti adiacenti che creano disturbi termici sullo stesso chip, è fondamentale per la realizzazione di sistemi quantistici su larga scala.

Questo lavoro apre la strada alla creazione di un numero elevato di qubit fisici necessari per il calcolo quantistico utile, sfruttando la produzione CMOS per miniaturizzare i dispositivi ottici per la generazione e la manipolazione di stati di luce quantistica. Diversi studenti ricercatori del progetto sono già passati a ruoli industriali, proseguendo il lavoro nella fotonica al silicio e nel calcolo quantistico presso startup come PsiQuantum e Ayar Labs, nonché Google X.

Il lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation, dalla Packard Fellowship e da GlobalFoundries.