Pesquisadores da Universidade de Boston, da Universidade da Califórnia, Berkeley e da Universidade Northwestern desenvolveram um sistema integrado que integra componentes eletrônicos, fotônicos e quânticos em um único chip semicondutor, uma inovação no campo da tecnologia quântica, de acordo com um novo estudo publicado na Nature Electronics. A pesquisa da equipe propõe uma maneira de produzir em massa “fábricas de luz quântica” usando processos de fabricação de semicondutores comumente usados ​​em dispositivos eletrônicos tradicionais.

O novo chip usa um processo semicondutor padrão de 45 nm para integrar uma fonte de luz quântica e um controlador eletrônico. Esta abordagem abre caminho para o dimensionamento de sistemas quânticos em áreas de computação, comunicações e detecção que tradicionalmente dependiam de dispositivos fabricados à mão e confinados em ambientes laboratoriais.

“A computação quântica, as comunicações e a detecção ainda estão a décadas de distância do conceito à realidade”, disse Miloš Popović, professor associado de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Boston e autor sênior do estudo. "Este é um pequeno passo nesse caminho, mas importante porque mostra que podemos construir sistemas quânticos controláveis ​​e repetíveis em fundições comerciais de semicondutores."

O chip no centro da pesquisa atua como uma série de fontes de luz quântica, conhecidas como ressonadores de microanel. Cada dispositivo tem menos de um milímetro de diâmetro e pode produzir pares de fótons estreitamente correlacionados, um recurso fundamental para operações quânticas.

A placa de circuito embalada contendo o chip foi colocada sob um microscópio na estação de detecção durante o experimento.

Os ressonadores de microanel operam sincronizando-se com a luz laser incidente, mas seu desempenho é altamente sensível até mesmo a pequenas flutuações de temperatura ou mudanças de fabricação – fatores que podem facilmente interromper os delicados processos quânticos que eles suportam.

Para enfrentar esses desafios, os pesquisadores desenvolveram um sistema de controle integrado capaz de estabilizar ressonadores de microanel em tempo real. O chip contém 12 ressonadores que podem operar em paralelo, cada um deles monitorado por um fotodiodo integrado e rastreia o alinhamento com o laser. Os aquecedores no chip e os circuitos lógicos ajustam automaticamente o ressonador quando mudanças de temperatura ou outros distúrbios afetam seu desempenho.

“O que mais me entusiasma é que incorporamos o controle diretamente no chip para estabilizar o processo quântico em tempo real”, disse Anirudh Ramesh, estudante de doutorado na Northwestern que liderou as medições quânticas. “Este é um passo crítico em direção a sistemas quânticos escaláveis”.

Este foco na estabilidade é fundamental para garantir que cada fonte de luz opere de forma confiável sob condições variadas. Imbert Wang, estudante de doutorado em design de dispositivos fotônicos na Universidade de Boston, enfatizou a complexidade técnica.

"Em contraste com nosso trabalho anterior, um desafio importante foi impulsionar os projetos fotônicos para atender aos exigentes requisitos da óptica quântica, permanecendo dentro das estreitas limitações das plataformas CMOS comerciais. Isso permite que a eletrônica e a óptica quântica sejam co-projetadas como um sistema unificado. "

Esquerda, centro, direita: autores estudantes de pós-graduação Imbert Wang, Daniel Kramnik e Josep Fargas, segundo à esquerda e segundo a partir da direita: Professor Milos Popovic e Professor Prem Kumar, autores seniores do estudo.

Com controle rígido de feedback de cada fonte de luz, o chip mantém um desempenho consistente mesmo com flutuações de temperatura ou pequenas diferenças de fabricação. Todo o dispositivo é fabricado usando processos comerciais complementares de semicondutores de óxido metálico e desenvolvido em colaboração com parceiros da indústria, como GlobalFoundries e a startup Ayar Labs do Vale do Silício.

O projeto exigiu profunda colaboração interdisciplinar. “A colaboração interdisciplinar necessária para este trabalho é exatamente o que é necessário para mover os sistemas quânticos do laboratório para uma plataforma escalável”, disse Prem Kumar, professor da Northwestern University e pioneiro em óptica quântica. “Não seríamos capazes de fazer isso sem os esforços colaborativos das áreas de eletrônica, fotônica e medição quântica”.