Investigadores de la Universidad de Boston, la Universidad de California, Berkeley y la Universidad Northwestern han desarrollado un sistema integrado que integra componentes electrónicos, fotónicos y cuánticos en un solo chip semiconductor, una novedad en el campo de la tecnología cuántica, según un nuevo estudio publicado en Nature Electronics. La investigación del equipo propone una forma de producir en masa "fábricas de luz cuántica" utilizando procesos de fabricación de semiconductores comúnmente utilizados en dispositivos electrónicos tradicionales.
El nuevo chip utiliza un proceso semiconductor estándar de 45 nm para integrar una fuente de luz cuántica y un controlador electrónico. Este enfoque allana el camino para ampliar los sistemas cuánticos en áreas de informática, comunicaciones y detección que tradicionalmente han dependido de dispositivos fabricados a mano y confinados a entornos de laboratorio.
"Aún faltan décadas para que la computación cuántica, las comunicaciones y la detección sean un concepto que se convierta en realidad", afirmó Miloš Popović, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Boston y autor principal del estudio. "Este es un pequeño paso en ese camino, pero un paso importante porque demuestra que podemos construir sistemas cuánticos controlables y repetibles en fundiciones comerciales de semiconductores".
El chip central de la investigación actúa como una serie de fuentes de luz cuánticas, conocidas como resonadores de microanillos. Cada dispositivo tiene menos de un milímetro de diámetro y puede producir pares de fotones estrechamente correlacionados, un recurso clave para las operaciones cuánticas.
La placa de circuito que contenía el chip se colocó bajo un microscopio en la estación de detección durante el experimento.
Los resonadores de microanillos funcionan sincronizándose con la luz láser incidente, pero su rendimiento es muy sensible incluso a ligeras fluctuaciones de temperatura o cambios de fabricación, factores que pueden alterar fácilmente los delicados procesos cuánticos que sustentan.
Para abordar estos desafíos, los investigadores desarrollaron un sistema de control integrado capaz de estabilizar resonadores de microanillos en tiempo real. El chip contiene 12 resonadores que pueden funcionar en paralelo, cada uno de los cuales es monitoreado por un fotodiodo incorporado y rastrea la alineación con el láser. Los calentadores en chip y los circuitos lógicos ajustan automáticamente el resonador cuando los cambios de temperatura u otras perturbaciones afectan su rendimiento.
"Lo que más me entusiasma es que integramos el control directamente en el chip para estabilizar el proceso cuántico en tiempo real", dijo Anirudh Ramesh, estudiante de doctorado en Northwestern que dirigió las mediciones cuánticas. "Este es un paso crítico hacia sistemas cuánticos escalables".
Este enfoque en la estabilidad es fundamental para garantizar que cada fuente de luz funcione de manera confiable en condiciones variables. Imbert Wang, estudiante de doctorado en diseño de dispositivos fotónicos en la Universidad de Boston, enfatizó la complejidad técnica.
"A diferencia de nuestro trabajo anterior, un desafío clave fue impulsar los diseños fotónicos para cumplir con los exigentes requisitos de la óptica cuántica y al mismo tiempo mantenerse dentro de las estrictas limitaciones de las plataformas CMOS comerciales. Esto permite que la electrónica y la óptica cuántica se diseñen conjuntamente como un sistema unificado".
Izquierda, centro, derecha: estudiantes de posgrado y autores Imbert Wang, Daniel Kramnik y Josep Fargas, segundo a la izquierda y segundo desde la derecha: el profesor Milos Popovic y el profesor Prem Kumar, autores principales del estudio.
Con un estricto control de retroalimentación de cada fuente de luz, el chip mantiene un rendimiento constante incluso con fluctuaciones de temperatura o pequeñas diferencias de fabricación. Todo el dispositivo se fabrica utilizando procesos comerciales complementarios de semiconductores de óxido metálico y se desarrolla en colaboración con socios de la industria como GlobalFoundries y la startup Ayar Labs de Silicon Valley.
El proyecto requirió una profunda colaboración interdisciplinaria. "La colaboración interdisciplinaria requerida para este trabajo es exactamente lo que se necesita para trasladar los sistemas cuánticos del laboratorio a una plataforma escalable", dijo Prem Kumar, profesor de la Universidad Northwestern y pionero en óptica cuántica. "No podríamos hacer esto sin los esfuerzos de colaboración de los campos de la electrónica, la fotónica y la medición cuántica".