En un hito para las tecnologías cuánticas escalables, científicos de la Universidad de Boston (BU), UC Berkeley y la Universidad Northwestern han informado sobre el primer sistema electrónico-fotónico-cuántico del mundo en un chip, según un estudio publicado en Nature Electronics. El sistema combina fuentes de luz cuántica y electrónica estabilizadora mediante un proceso estándar de fabricación de semiconductores de 45 nanómetros para producir flujos fiables de pares de fotones correlacionados (partículas de luz), un recurso clave para las tecnologías cuánticas emergentes. Este avance allana el camino para chips de “fábrica de luz cuántica” de producción en masa y sistemas cuánticos a gran escala construidos a partir de muchos de estos chips que trabajan en conjunto.
“La computación, la comunicación y la detección cuánticas están en un camino de décadas desde su concepción hasta su realización”, afirma Miloš Popović, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la BU y autor principal del estudio. “Este es un pequeño paso en ese camino, pero importante, ya que demuestra que podemos construir sistemas cuánticos repetibles y controlables en fundiciones de semiconductores comerciales”.
“El tipo de colaboración interdisciplinaria que este trabajo requirió es justo lo que se necesita para trasladar los sistemas cuánticos del laboratorio a plataformas escalables”, afirma Prem Kumar, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Northwestern y pionero en óptica cuántica. “No habríamos podido lograrlo sin los esfuerzos conjuntos en electrónica, fotónica y medición cuántica”.
Al igual que los chips electrónicos se alimentan mediante corriente eléctrica y los enlaces de comunicación óptica mediante luz láser, las tecnologías cuánticas futuras requerirán un flujo constante de unidades de recursos de luz cuántica para realizar sus funciones. Para lograrlo, los investigadores crearon una serie de “fábricas de luz cuántica” en un chip de silicio, cada una con unas dimensiones inferiores a un milímetro por un milímetro.
La generación de estados cuánticos de luz en un chip requiere dispositivos fotónicos diseñados con precisión, específicamente, resonadores de microring (los mismos dispositivos identificados recientemente por el CEO de Nvidia, Jensen Huang, como parte integral del futuro escalamiento del hardware de cómputo de IA de Nvidia a través de interconexión óptica). Para generar flujos de luz cuántica, en forma de pares de fotones correlacionados, los resonadores deben estar sincronizados con la luz láser entrante que alimenta cada fábrica de luz cuántica en el chip (y se utiliza como combustible para el proceso de generación). Sin embargo, estos dispositivos son extremadamente sensibles a las variaciones de temperatura y fabricación, lo que puede desincronizarlos e interrumpir la generación constante de luz cuántica.
Para abordar este desafío, el equipo construyó un sistema integrado que estabiliza activamente las fuentes de luz cuántica en el chip, específicamente los resonadores de microanillos de silicio que generan los flujos de fotones correlacionados. Cada chip contiene doce de estas fuentes que operan en paralelo, y cada resonador debe mantenerse sincronizado con la luz láser entrante incluso en presencia de variaciones de temperatura e interferencias de dispositivos cercanos, incluidas las otras once fuentes de pares de fotones en el chip.
“Lo que más me entusiasma es que integramos el control directamente en el chip, estabilizando un proceso cuántico en tiempo real”, afirma Anirudh Ramesh, estudiante de doctorado en Northwestern, quien dirigió las mediciones cuánticas. “Este es un paso crucial hacia sistemas cuánticos escalables”.
La extrema sensibilidad de los resonadores de microring, componentes básicos de las fuentes de luz cuántica, es bien conocida y, a la vez, una ventaja y una desventaja. Es la razón por la que pueden generar flujos de luz cuántica de forma eficiente y en un área de chip mínima. Sin embargo, pequeños cambios de temperatura pueden desbaratar el proceso de generación de pares de fotones.
El equipo de la BU resolvió este problema integrando fotodiodos dentro de los resonadores, lo que permite monitorear la alineación con el láser incidente, preservando al mismo tiempo la generación de luz cuántica. Los calentadores integrados en el chip y la lógica de control ajustan continuamente la resonancia en función de la deriva.
“Un reto clave en relación con nuestro trabajo anterior fue impulsar el diseño fotónico para cumplir con los exigentes requisitos de la óptica cuántica, sin salirse de las estrictas limitaciones de una plataforma CMOS comercial”, afirma Imbert Wang, estudiante de doctorado de la Universidad de Boston, quien dirigió el diseño del dispositivo fotónico. “Esto permitió el codiseño de la electrónica y la óptica cuántica como un sistema unificado”.
Dado que el chip utiliza retroalimentación integrada para estabilizar cada fuente, se comporta de forma predecible a pesar de los cambios de temperatura y las variaciones de fabricación, un requisito esencial para la ampliación de los sistemas cuánticos. Se fabricó en una plataforma comercial de chips semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS) de 45 nanómetros, desarrollada originalmente mediante una estrecha colaboración entre la Universidad de Boston (BU), la Universidad de California en Berkeley (UC Berkeley), GlobalFoundries y la startup de Silicon Valley, Ayar Labs, que surgió de la investigación de ambas universidades y ahora es líder en la industria de chiplets de interconexión óptica. Gracias a la nueva colaboración con Northwestern, ese mismo proceso de fabricación ahora permite no sólo interconexiones ópticas avanzadas para IA y supercomputación, sino también, como se muestra en el estudio, sistemas fotónicos cuánticos complejos en una plataforma de silicio escalable.
“Nuestro objetivo era demostrar que los sistemas fotónicos cuánticos complejos pueden construirse y estabilizarse completamente dentro de un chip CMOS”, afirma Daniel Kramnik, estudiante de doctorado en UC Berkeley, quien dirigió el diseño, el empaquetado y la integración del chip. “Esto requirió una estrecha coordinación entre dominios que normalmente no se comunican entre sí”.
A medida que los sistemas fotónicos cuánticos progresan en escala y complejidad, chips como este podrían convertirse en bloques de construcción para tecnologías que abarcan desde redes de comunicación seguras hasta detección avanzada y, eventualmente, infraestructura de computación cuántica.
Fuente: Tech Xplore.
