Equipe acadêmica interdisciplinar integra fontes de luz quântica e eletrônica de controle em uma única peça de silício
Em um marco para tecnologias quânticas escaláveis, cientistas da Universidade de Boston, da Universidade da Califórnia em Berkeley e da Universidade Northwestern relataram o primeiro sistema eletrônico-fotônico-quântico do mundo em um chip, de acordo com um estudo publicado na Nature Electronics . O sistema combina fontes de luz quântica e eletrônica estabilizadora usando um processo padrão de fabricação de semicondutores de 45 nanômetros para produzir fluxos confiáveis de pares de fótons correlacionados (partículas de luz) — um recurso essencial para tecnologias quânticas emergentes. O avanço abre caminho para chips de "fábrica de luz quântica" produzidos em massa e sistemas quânticos de larga escala construídos a partir de muitos desses chips trabalhando em conjunto.
“Computação quântica, comunicação e sensoriamento percorrem um caminho de décadas, do conceito à realidade”, afirma Miloš Popović , professor associado de engenharia elétrica e de computação da BU e autor sênior do estudo. “Este é um pequeno passo nesse caminho, mas importante, porque mostra que podemos construir sistemas quânticos repetíveis e controláveis em fundições comerciais de semicondutores.”
“O tipo de colaboração interdisciplinar que este trabalho exigiu é exatamente o que é necessário para levar sistemas quânticos do laboratório para plataformas escaláveis”, afirma Prem Kumar, professor de engenharia elétrica e de computação na Northwestern e pioneiro em óptica quântica. “Não teríamos conseguido isso sem os esforços combinados em eletrônica, fotônica e medição quântica.”
Assim como os chips eletrônicos são alimentados por correntes elétricas e os links de comunicação óptica por luz laser, as futuras tecnologias quânticas exigirão um fluxo constante de unidades de recursos de luz quântica para desempenhar suas funções. Para isso, o trabalho dos pesquisadores criou uma matriz de "fábricas de luz quântica" em um chip de silício, cada uma com menos de um milímetro por um milímetro de dimensão.
A geração de estados quânticos de luz em um chip requer dispositivos fotônicos projetados com precisão — especificamente, ressonadores de microanéis (os mesmos dispositivos recentemente identificados pelo CEO da Nvidia, Jensen Huang , como parte integrante do futuro escalonamento do hardware de computação de IA da Nvidia por meio de interconexão óptica). Para gerar fluxos de luz quântica, na forma de pares correlacionados de fótons, os ressonadores devem ser sincronizados com a luz laser incidente que alimenta cada fábrica de luz quântica no chip (e é usada como combustível para o processo de geração). Mas esses dispositivos são extremamente sensíveis a variações de temperatura e fabricação, o que pode dessincronizá-los e interromper a geração constante de luz quântica.
Para enfrentar esse desafio, a equipe construiu um sistema integrado que estabiliza ativamente as fontes de luz quântica no chip — especificamente, os ressonadores de microanéis de silício que geram os fluxos de fótons correlacionados. Cada chip contém doze dessas fontes, que operam em paralelo, e cada ressonador deve permanecer sincronizado com a luz laser incidente, mesmo na presença de desvios de temperatura e interferência de dispositivos próximos — incluindo as outras onze fontes de pares de fótons no chip.
“O que mais me empolga é que incorporamos o controle diretamente no chip, estabilizando um processo quântico em tempo real”, diz Anirudh Ramesh, doutorando da Northwestern que liderou as medições quânticas. “Esse é um passo crucial rumo a sistemas quânticos escaláveis.”
A extrema sensibilidade dos ressonadores de microanéis, os blocos de construção das fontes de luz quântica, é bem conhecida e representa tanto uma bênção quanto uma maldição. É a razão pela qual eles conseguem gerar fluxos de luz quântica de forma eficiente e em uma área mínima do chip. No entanto, pequenas variações de temperatura podem inviabilizar o processo de geração de pares de fótons. A equipe liderada pela BU resolveu esse problema integrando fotodiodos dentro dos ressonadores de forma a monitorar o alinhamento com o laser incidente, preservando a geração de luz quântica. Aquecedores no chip e lógica de controle ajustam continuamente a ressonância em resposta à deriva.
“Um desafio fundamental em relação ao nosso trabalho anterior foi levar o projeto fotônico a atender aos exigentes requisitos da óptica quântica, permanecendo dentro das rígidas restrições de uma plataforma CMOS comercial”, afirma Imbert Wang, doutorando da Universidade de Boston que liderou o projeto do dispositivo fotônico. “Isso permitiu o co-design da eletrônica e da óptica quântica como um sistema unificado.”
Como o chip utiliza feedback integrado para estabilizar cada fonte, ele se comporta de forma previsível, apesar das mudanças de temperatura e das variações de fabricação — um requisito essencial para o escalonamento de sistemas quânticos. Ele foi fabricado em uma plataforma comercial de chip semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) de 45 nanômetros, desenvolvida originalmente por meio de uma colaboração estreita entre a BU, a UC Berkeley, a GlobalFoundries e a startup do Vale do Silício, Ayar Labs, que surgiu da pesquisa nas duas universidades e agora é líder do setor em chips de interconexão óptica. Por meio da nova colaboração com a Northwestern, esse mesmo processo de fabricação agora permite não apenas interconexões ópticas avançadas para IA e supercomputação, mas também, como demonstrado no estudo, sistemas fotônicos quânticos complexos em uma plataforma de silício escalável.
“Nosso objetivo era mostrar que sistemas fotônicos quânticos complexos podem ser construídos e estabilizados inteiramente dentro de um chip CMOS”, diz Daniel Kramnik, doutorando da UC Berkeley que liderou o projeto, o encapsulamento e a integração do chip. “Isso exigiu uma coordenação rigorosa entre domínios que normalmente não se comunicam.”
À medida que os sistemas fotônicos quânticos progridem em escala e complexidade, chips como esse podem se tornar blocos de construção para tecnologias que vão desde redes de comunicação seguras até sensores avançados e, eventualmente, infraestrutura de computação quântica.
Desde então, vários dos autores da pós-graduação têm continuado a promover a fotônica de silício e as tecnologias quânticas na indústria. Josep Maria Fargas Cabanillas e Anirudh Ramesh estão agora na startup de computadores quânticos fotônicos PsiQuantum, enquanto Ðorđe Gluhović e Sidney Buchbinder ingressaram na Ayar Labs. Imbert Wang está na Aurora. Daniel Kramnik está no Google X e lidera uma startup de fotônica de silício. Essas trajetórias refletem o crescente impulso por trás da fotônica de silício, tanto para escalar a infraestrutura de computação de IA atual quanto, a longo prazo, para viabilizar sistemas quânticos escaláveis baseados em chips.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, inclusive por meio do programa Future of Semiconductors (FuSe), bem como pela Packard Fellowship for Science and Engineering e pela Catalyst Foundation. O suporte para a fabricação de chips foi fornecido pela Ayar Labs e pela GlobalFoundries.
Fonte: Boston University
