Placa de circuito envasado que contiene el chip colocado bajo microscopio en probancia durante un experimento. Crédito: Universidad de Boston
En un hito para las tecnologías cuánticas escalables, los científicos de la Universidad de Boston, UC Berkeley y la Universidad de Northwestern han informado del primer sistema electrónico -fotónico -quantón en un chip del mundo, según un estudio publicado In Nature Electronics.
El sistema combina fuentes de luz cuántica y la electrónica estabilizadora utilizando un proceso estándar de fabricación de semiconductores de 45 nanómetros para producir corrientes confiables de pares de fotones correlacionados (partículas de luz), un recurso clave para tecnologías cuánticas emergentes. El avance allana el camino para chips de “fábrica de luz cuántica” producible de masa y sistemas cuánticos a gran escala construidos a partir de muchos de estos chips que trabajan juntos.
“La computación cuántica, la comunicación y la detección están en un camino de décadas desde el concepto hasta la realidad”, dice Miloš Popović, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en BU y autor principal del estudio. “Este es un pequeño paso en ese camino, pero uno importante, porque muestra que podemos construir sistemas cuánticos repetibles y controlables en las fundiciones comerciales de semiconductores”.
“El tipo de colaboración interdisciplinaria que se requiere este trabajo es exactamente lo que se necesita para mover los sistemas cuánticos del laboratorio a plataformas escalables”, dice Prem Kumar, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Northwestern y pionera en la óptica cuántica. “No podríamos haber hecho esto sin los esfuerzos combinados en electrónica, fotónica y medición cuántica”.
Al igual que los chips electrónicos funcionan con corrientes eléctricas, y los enlaces de comunicación óptica de la luz láser, las tecnologías cuánticas futuras requerirán un flujo constante de unidades de recursos de luz cuántica para realizar sus funciones. Para proporcionar esto, el trabajo de los investigadores creó una variedad de “fábricas de luz cuántica” en un chip de silicio, cada uno menos de un milímetro por un milímetro en dimensión.
La generación de estados cuánticos de luz en el chip requiere dispositivos fotónicos de ingeniería con precisión, específicamente, resonadores de microring (los mismos dispositivos identificado recientemente por el CEO de NVIDIA, Jensen Huang, como parte integral de la escala futura de Nvidia de su hardware de cómputo ai a través de la interconexión óptica).
Para generar corrientes de luz cuántica, en forma de pares correlacionados de fotones, los resonadores deben ajustarse en sincronización con la luz láser entrante que alimenta cada fábrica de luz cuántica en el chip (y se usa como combustible para el proceso de generación). Pero esos dispositivos son extremadamente sensibles a las variaciones de temperatura y fabricación que pueden expulsarlos de sincronización e interrumpir la generación constante de luz cuántica.
Para abordar este desafío, el equipo creó un sistema integrado que estabiliza activamente las fuentes de luz cuántica en el chip, específicamente, los resonadores de microras de silicio que generan las corrientes de fotones correlacionados. Cada chip contiene doce de estas fuentes operables en paralelo, y cada resonador debe permanecer sincronizado con su luz láser entrante incluso en presencia de la deriva de temperatura e interferencia de los dispositivos cercanos, incluidas las otras once fuentes de pares de fotones en el chip.
Sistema cuántico electrónico-fotónico en chip. Crédito: Nature Electronics (2025). Doi: 10.1038/s41928-025-01410-5
“Lo que más me emociona es que integramos el control directamente en el chip, estabilizando un proceso cuántico en tiempo real”, dice Anirudh Ramesh, Ph.D. Estudiante en Northwestern que dirigió las medidas cuánticas. “Ese es un paso crítico hacia los sistemas cuánticos escalables”.
La extrema sensibilidad de los resonadores de microring, los bloques de construcción para las fuentes de luz cuántica, es bien conocida y es tanto una bendición como una maldición. Es la razón por la que pueden generar corrientes de luz cuántica de manera eficiente y en un área mínima de chips. Sin embargo, los pequeños cambios de temperatura pueden descarrilar el proceso de generación de pares de fotones.
El equipo liderado por BU resolvió esto integrando fotodiodos dentro de los resonadores de una manera que monitorea la alineación con el láser entrante mientras preserva la generación de luz cuántica. Los calentadores en chip y la lógica de control ajustan continuamente la resonancia en respuesta a la deriva.
“Un desafío clave en relación con nuestro trabajo anterior era impulsar el diseño fotónico para cumplir con los requisitos exigentes de la óptica cuántica mientras permanecía dentro de las limitaciones estrictas de una plataforma CMOS comercial”, dice Imbert Wang, un doctorado. Estudiante de la Universidad de Boston que dirigió el diseño del dispositivo fotónico. “Eso permitió el codiseño de la electrónica y la óptica cuántica como un sistema unificado”.
Debido a que el chip utiliza la retroalimentación incorporada para estabilizar cada fuente, se comporta previsiblemente a pesar de los cambios de temperatura y las variaciones de fabricación, un requisito esencial para ampliar los sistemas cuánticos. Fue fabricada en una plataforma de chips de óxido metálico (CMOS) comercial de 45 nanómetros de 45 nanométricos, se desarrolló originalmente a través de una estrecha colaboración entre BU, UC Berkeley, GlobalFoundries y Silicon Valley Startup Ayar Labs, que surgió de la investigación en las dos universidades y ahora es un líder de la industria en chips de interconnectas ópticas.
A través de la nueva colaboración con Northwestern, ese mismo proceso de fabricación ahora permite no solo interconexiones ópticas avanzadas para la IA y la supercomputación, sino también, como se muestra en el estudio, sistemas fotónicos cuánticos complejos en una plataforma de silicio escalable.
“Nuestro objetivo era mostrar que los sistemas fotónicos cuánticos complejos se pueden construir y estabilizar completamente dentro de un chip CMOS”, dice Daniel Kramnik, Ph.D. Estudiante de UC Berkeley que lideró el diseño de chips, el embalaje y la integración. “Eso requirió una estricta coordinación entre los dominios que generalmente no se hablan 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 van desde redes de comunicación seguras hasta detección avanzada y, eventualmente, la infraestructura de computación cuántica.
Más información: Danielius Kramnik et al, estabilización de retroalimentación escalable de fuentes de luz cuántica en un chip CMOS, Nature Electronics (2025). Dos: 10.1038/s41928-025-01410-5
Proporcionado por la Universidad de Boston
Cita: Primer chip cuántico electrónico-fotónico creado en fundición comercial (2025, 14 de julio) Recuperado el 14 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-electricphotonic-quantum-chip-comercial-fundry.html
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