首款融合了电子、光子和量子光的混合芯片问世

这种混合芯片不仅仅是技术的融合，更是时代与时代的融合。

从人工智能到量子现实，未来已浓缩于芯片之中。波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的研究人员取得了一项里程碑式的成就，开发出首款无缝整合电子、光子和量子元件的半导体芯片。这不仅仅是一个概念验证，而是一个可量产的平台，有望成为未来量子计算机、不可破解的通信系统以及超灵敏传感器的核心。

这款新芯片发表在《自然电子学》杂志上，采用标准45纳米CMOS技术制造，与当今智能手机和处理器背后的工业工艺相同。这意义重大。这意味着这项量子突破不再局限于学术实验室，而是已准备好投入工厂生产。

迄今为止，量子器件脆弱、昂贵，且主要依靠手工制造。 然而，新芯片集成了产生和稳定 量子光（即纠缠光子）所需的所有组件，而量子光几乎是所有 量子技术的关键要素。

该芯片的核心是微环谐振器，这是一种微小的环形结构，在激光激发下会产生纠缠光子对。这些“量子光工厂”比米粒还小，但众所周知，它们的性能对制造过程中的热量和微小变化非常敏感。

该芯片包含板载传感器、加热器和逻辑电路，即使温度发生变化或同一芯片上的其他量子源产生干扰，也能自动保持每个微环的调谐。结果如何？只需一小片硅片，即可按需生成稳定、同步的量子光。

“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，”领导量子测量的西北大学博士生 Anirudh Ramesh 说。

构建可扩展的量子平台

研究人员不仅构建了一个量子光源，还构建了十二个量子光源，它们在同一芯片上并行工作，每个光源都由反馈系统自动调节和稳定。这些光源由片上光电二极管监控，这些光电二极管跟踪激光输入的对准情况，并通过微加热器和集成逻辑电路进行实时校正。

简单来说：芯片不断地自我监测和修复，就像一个由激光供电的乐器组成的管弦乐队，在演奏时自我调整，不需要指挥。

这种内在的稳定性对于构建可扩展、模块化的量子系统至关重要。通过在CMOS芯片上批量生产量子光工厂阵列，业界距离构建由许多互连芯片组成的复杂系统更近了一步，每个芯片负责处理一部分量子工作负载。

领导该芯片集成的加州大学伯克利分校博士生 Daniel Kramnik 表示：“我们的目标是证明复杂的量子光子系统可以在 CMOS 芯片内完全构建和稳定。”

该芯片采用CMOS制造工艺，由格芯与Ayar Labs合作打造。Ayar Labs是一家光互连初创公司，诞生于伯克利和波士顿大学的研究领域。用于构建人工智能超级计算机光学数据链路的平台，如今也成为量子计算的基础。

这开启了 硅光子学的新篇章：与经典芯片具有相似规模的量子芯片 。

波士顿大学教授米洛什·波波维奇表示：“量子计算、通信和传感从概念到现实，还有几十年的时间。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。”

有趣的是，这款芯片中采用的相同微环谐振器也是 Nvidia人工智能计算集群光互连愿景的核心。随着系统速度越来越快、运行温度越来越高、对带宽的需求越来越大，Nvidia 和 Ayar Labs 等公司正在大力投资利用光传输数据。

现在，同样的硬件和制造方法也正在产生量子光。

这种重叠并非偶然。硅光子学正在成为经典计算、高速光学和量子技术碰撞的通用平台。随着研究人员在这个共享平台上构建更复杂的系统，传统芯片和量子芯片之间的界限开始变得模糊。

该项目的成功也标志着未来量子人才培养的里程碑。参与该项目的多名学生现已进入顶尖初创企业和实验室，包括 PsiQuantum、Ayar Labs、Aurora 和 Google X。

这些转变反映了基于芯片的量子技术日益增长的势头，它不再只是科幻小说，而是现实世界基础设施的下一阶段。

这种混合芯片不仅仅是技术的融合，更是时代与时代的融合。从真空管到晶体管再到集成电路，计算始终致力于将复杂性压缩到芯片上。

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