Durchbruch auf 1 mm²: Neuer Quantenchip kombiniert gesamte Steuerungselektronik auf einem Chip
Auf nur einem Quadratmillimeter vereinen Wissenschaftler erstmals Photonik, Elektronik und Quantenhardware in einem kommerziell herstellbaren Silizium-Chip. Das Verfahren: der klassische 45-Nanometer-CMOS-Herstellungsprozess.
Wissenschaftler der Northwestern-Universität, Boston-Universität und UC Berkeley sollen einen Meilenstein in der Quantentechnologie erreicht haben: Erstmals gelang es ihnen, photonische Quantensysteme, elektronische Steuerungsschaltungen und Quantenhardware auf einem einzigen Silizium-Chip zu integrieren.
Der neue Chip kombiniere auf nur einem Quadratmillimeter Fläche alle wesentlichen Komponenten für die Erzeugung und Kontrolle von Quantenlicht. Während bisherige Quantensysteme auf sperrige Laborausrüstung angewiesen waren, integriert die Neuerung die gesamte Steuerungselektronik direkt auf dem Chip.
- Zwölf parallel arbeitende Quantenlichtquellen können damit stabile Photonenpaare erzeugen - die Grundbausteine für zukünftige Quantenanwendungen, wie die Forscher schreiben.
- Als Verfahren wird der standardisierte 45-Nanometer-CMOS-Herstellungsprozess genutzt, der bereits in kommerziellen Halbleiterfabriken eingesetzt wird.
Integrierte Photodioden zur Echtzeitjustierung
Photonische Quantensysteme mussten bisher mit extremer Empfindlichkeit der zugehörigen Mikroring-Resonatoren leben. Diese winzigen Strukturen (nur wenige Mikrometer groß) reagieren bereits auf kleinste Temperaturschwankungen oder Fertigungstoleranzen. Die Folge: Die Resonatoren geraten leicht aus der Synchronisation mit dem eingehenden Laserlicht, was die Quantenlicht-Erzeugung störte.
- Die Forschergruppe löste dieses Problem durch integrierte Photodioden, die kontinuierlich die Ausrichtung der Resonatoren überwachen.
- Mithilfe von zusätzlich verbauten Heizern und Kontrolllogik wird die Resonanz bei Abweichungen automatisch nachjustiert.
Diese eingebaute Rückkopplung stabilisiert laut den Wissenschaftlern jeden Quantenlicht-Generator in Echtzeit und macht das System unempfindlich gegen Umwelteinflüsse.
Noch gibt es Herausforderungen
Trotz der Fortschritte stehen photonische Quantensysteme weiterhin vor erheblichen Hürden.
- Die Effizienz der Systeme wird durch Photonenverluste während der Übertragung und Verarbeitung begrenzt. Zudem interagieren Photonen nicht direkt miteinander, was komplexe Umwege für Quantenoperationen erforderlich macht.
- Eine weitere zentrale Herausforderung: die Fehlerkorrektur. Während klassische Computer Fehlerraten von weniger als einem Fehler pro Billion Operationen erreichen, liegen Quantensysteme noch weit von diesen Werten entfernt.
Angesichts der bestehenden Herausforderungen planen die Forscher entsprechend bereits weiterführende Arbeiten zur Verbesserung der Chipleistung und zur Integration noch komplexerer Quantenfunktionen, um die Effizienz und Anwendbarkeit der Technologie weiter zu steigern. Parallel entwickeln Industriepartner wie GlobalFoundries die Fertigungsprozesse weiter, um eine wirtschaftliche Massenproduktion zu ermöglichen.
