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来自波士顿大学、加州大学伯克利分校和西北大学的团队联合开发出全球首个电子-光子-量子集成芯片系统，如《 自然电子 》最新一期报道。这是首次使用标准的 45 纳米半导体制造工艺，将量子光源和稳定的控制电子电路集成在单一芯片上。这一成果为“量子光工厂”芯片的大规模生产以及大型量子系统的构建奠定了坚实基础。

该团队表示，这标志着可扩展量子技术发展中的一个关键步骤，证明了在商业半导体晶圆厂中可以构建可重复和可控的量子系统。

正如传统电子芯片依赖于电流，而光通信系统依赖于激光一样，未来的光量子技术将需要稳定的量子光源来进行计算、通信和传感。为此，研究人员在硅芯片上构建了一系列“量子光工厂”——每个面积约为1平方毫米——可以可靠地产生成对的纠缠光子，这是量子信息应用的关键资源。

为了确保谐振器稳定地产生光子对，它们必须与注入的激光高度同步。这些设备对温度波动和制造缺陷非常敏感——任何轻微的偏差都可能导致系统故障。

该团队的解决方案是将主动控制系统直接集成到芯片上，以实时稳定和调整产生光子的微环谐振器。每个芯片包含12个这样的光子源，每个光子源即使在温度变化和相互干扰的情况下也需要精确同步。研究人员在谐振器内部嵌入了光电探测器，以持续监测其与激光的谐振。这配备了片上加热器和控制逻辑电路，可自动微调谐振条件，确保持续的光子对生成。

该项目的一个主要挑战是在遵循严格的商业互补金属氧化物半导体（CMOS）平台设计约束的同时，保持量子光学性能。这从一开始就需要一种协同设计方法——将电子和量子光子学视为一个统一的系统。该芯片基于标准的 45 纳米 CMOS 平台构建，具有内置的反馈稳定机制，可有效减轻温度变化和制造误差引起的干扰。

随着量子光子系统在规模和复杂性上的增长，这种“量子光工厂”芯片预计将成为安全通信网络、先进传感技术和未来量子计算基础设施的关键组件。