نجح فريق بحثي من جامعة بوسطن، وجامعة كاليفورنيا في بيركلي، وجامعة نورث وسترن في دمج مصادر الضوء الكمومي والإلكترونيات الضابطة ضمن شريحة سيليكون واحدة باستخدام تقنية تصنيع قياسية بدقة 45 نانومتر.

وقد مكّن هذا الإنجاز الرقاقة من إنتاج تدفقات مستقرة من أزواج الفوتونات المترابطة، والتي تُعد اللبنات الأساسية للتطبيقات الكمومية، مما يفتح الباب لإنتاج رقائق ضوء كمومي على نطاق واسع وتطوير أنظمة كمومية أكثر تعقيدا ومترابطة.

مصانع ضوء كمومي على رقاقة صغيرة

على غرار اعتماد الرقاقات الإلكترونية على التيار الكهربائي، تعتمد أنظمة الكم المستقبلية على تدفق مستمر لوحدات ضوء كمومي لأداء مهامها. ولتحقيق ذلك، ابتكر الباحثون مصفوفة من "مصانع الضوء الكمومي" على شريحة سيليكون لا تتجاوز مساحتها ميليمترا مربعا.

تعتمد هذه المصانع على مرنانات حلقية ميكروسكوبية دقيقة للغاية، والتي تتطلب ضبطا متزامنا مع أشعة الليزر الداخلة لتوليد أزواج فوتونية مترابطة، إلا أن هذه الأجهزة شديدة الحساسية للحرارة وفوارق التصنيع، مما قد يؤدي إلى تعطيل عملية توليد الضوء الكمومي.

تحكم كمومي فوري مدمج داخل الشريحة

لتجاوز هذا التحدي، صمّم الفريق نظاما متكاملا يعمل على تثبيت مصادر الضوء الكمومي داخل الشريحة، مما يضمن بقاء المرنانات في حالة تزامن دقيق حتى في ظل تقلبات الحرارة أو تأثير الأجهزة المجاورة.

“ما يثير حماسي هو تضمين نظام التحكم مباشرة في الشريحة وتثبيت العملية الكمومية في الزمن الحقيقي”، بحسب ما أفاد به "أنيرود راميش"، طالب دكتوراه في نورث وسترن والمشرف على قياسات الضوء الكمومي.

استخدم الباحثون ثنائيات ضوئية مدمجة داخل المرنانات لمراقبة تزامنها مع الليزر دون التأثير على توليد الضوء الكمومي، إلى جانب مسخنات دقيقة ومنطق تحكم لضبط الرنين باستمرار.

تصميم موحد يربط بين الإلكترونيات والبصريات الكمومية

تم تحقيق هذا النظام عبر تصميم مشترك يجمع بين الإلكترونيات والضوئيات الكمومية ضمن بيئة تصنيع واحدة، وهو ما وصفه "إيمبيرت وانغ"، طالب دكتوراه في جامعة بوسطن، بأنه “تحدٍ كبير لتصميم الفوتونات بما يتوافق مع متطلبات البصريات الكمومية ضمن قيود منصة CMOS التجارية.”

وتتميز الرقاقة بالثبات في الأداء رغم التغيرات الحرارية، مما يعد ضرورة أساسية لتوسيع نطاق الأنظمة الكمومية. وقد تم تصنيع الرقاقة ضمن منصة تصنيع CMOS التجارية بدقة 45 نانومتر، بفضل تعاون بين جامعة بوسطن، جامعة بيركلي، شركة GlobalFoundries، وشركة Ayar Labs الناشئة في وادي السيليكون.

نحو مستقبل كمومي على شرائح قابلة للتوسعة

“كان هدفنا إثبات إمكانية بناء أنظمة ضوئية كمومية معقدة ومستقرة بالكامل على شريحة CMOS”، كما أوضح "دانيال كرامنيك"، طالب دكتوراه في بيركلي والمسؤول عن تصميم وتغليف الرقاقة.

وبفضل هذا الابتكار، قد تصبح شرائح كمومية كهذه وحدات أساسية في تقنيات الاتصالات الآمنة، وأجهزة الاستشعار المتقدمة، وبنية الحوسبة الكمومية المستقبلية.

جيل جديد من الباحثين يتصدر الثورة الكمومية

يُذكر أن عددا من طلاب الدراسات العليا المشاركين في المشروع انضموا إلى شركات ريادية في المجال، مثل PsiQuantum وAyar Labs وAurora وGoogle X، في مؤشّر واضح على التوسع المتسارع في تقنيات الفوتونات السيليكونية والحوسبة الكمومية القائمة على الشرائ