Chip quântico elétron-fotônico fabricado pela primeira vez em planta de semicondutores convencional – a produção em massa está chegando

A GlobalFoundries deu um pequeno passo rumo à produção em larga escala de plataformas quânticas, incluindo processadores. Pela primeira vez em uma linha de semicondutores convencional, seus especialistas fabricaram um chip quântico elétron-fóton, combinando uma fonte de pares de fótons entrelaçados e uma unidade de controle para essa fonte. O circuito eletrônico e quântico em si foi desenvolvido por cientistas de três universidades americanas, surgindo após quase dez anos de trabalho árduo.

Fonte da imagem: Universidade Northwestern

Uma solução semicondutora integrada com uma fonte de luz quântica incorporada foi desenvolvida por pesquisadores da Universidade Northwestern, da Universidade de Boston (BU) e da Universidade da Califórnia em Berkeley (UC Berkeley). O primeiro chip de silício desse tipo combina componentes que geram luz quântica (fotônica) com circuitos de controle eletrônico clássicos – tudo em uma área de apenas um por um milímetro. Assim, o chip não apenas gera luz quântica, mas também possui um sistema eletrônico inteligente integrado que garante sua estabilidade.

Essa integração fotônico-eletrônica permite que um único chip gere de forma confiável um fluxo de pares de fótons — as unidades básicas que codificam a informação quântica necessária para a comunicação quântica e a recepção e processamento da luz. Como o chip foi fabricado em uma fundição comercial de semicondutores pela GlobalFoundries, isso indica que ele pode ser fabricado em grandes quantidades.

«“Experimentos quânticos em laboratório normalmente exigem equipamentos volumosos e condições ideais de limpeza”, explicam os cientistas. “Pegamos a maior parte dessa eletrônica de controle e a colocamos em um único chip. Agora temos um chip com eletrônica de controle integrada que estabiliza o processo quântico em tempo real. Este é um passo fundamental para a criação de sistemas fotônicos quânticos escaláveis.”

A descoberta promete revolucionar a computação quântica, as comunicações e o sensoriamento. As soluções atuais para estabilizar e controlar estados quânticos exigem condições especiais — blindagem rígida e temperaturas criogênicas — e hardware complexo, dificultando a miniaturização e o escalonamento. Pequenas variações de temperatura, defeitos de fabricação e até mesmo o calor gerado pelos próprios componentes do circuito quântico podem desativar completamente todo o sistema.

O gerador básico de pares de fótons emaranhados foi desenvolvido e testado por cientistas da Universidade Northwestern em 2006. O sistema funciona utilizando ressonadores em anel, nos quais um feixe de luz focalizado é direcionado. Os ressonadores são gravados em silício, tornando sua fabricação compatível com o processo CMOS usado para produzir transistores e outros componentes de chips no mesmo substrato. Quando um feixe de luz concentrado atinge minúsculos canais de design apropriado gravados no silício, pares de fótons são gerados naturalmente. Esses pares estão inextricavelmente ligados e podem servir como qubits.

No novo estudo, a equipe integrou minúsculos canais de anel, cada um várias vezes mais fino que um fio de cabelo humano, em um chip de silício. Quando um laser potente incide sobre esses canais, chamados ressonadores de microanéis, eles geram pares de fótons. Para controlar a luz, a equipe adicionou sensores de fotocorrente que atuam como monitores em miniatura. Se a fonte de luz alterar seus parâmetros devido a flutuações de temperatura ou outras interferências (comprimento de onda, intensidade ou fase), os sensores enviam um sinal para um aquecedor integrado, que retorna a fonte de fótons a um estado ideal.

Como o chip utiliza um sistema de feedback integrado para estabilização, seu comportamento permanece previsível, apesar de influências externas e variações de fabricação, o que é essencial para a escalabilidade. Isso também elimina a necessidade de muito hardware externo.

Para tornar o complexo chip quântico possível usando a tecnologia CMOS padrão, os cientistas usaram uma estratégia de design inteligente: eles incorporaram componentes fotônicos diretamente em estruturas existentes que já são usadas em fábricas comerciais para fazer chips de computador.

À medida que os sistemas fotônicos quânticos crescem em escala e complexidade, esses chips integrados podem se tornar a base para novas tecnologias, desde redes de comunicação seguras até sensores avançados e infraestrutura de computação quântica completa.

«Computação quântica, comunicações e sensores estão há muito tempo no caminho da concepção à realidade, afirmam os autores do estudo. “Este é um passo pequeno, mas importante, porque mostra que podemos construir sistemas quânticos reproduzíveis e controláveis em fundições comerciais de semicondutores.”

O chip em si foi possível graças ao trabalho de uma década da GlobalFoundries integrando fotônica de silício à fabricação. Em 2015, a empresa começou a colaborar com a Ayar Labs, uma startup que desenvolvia tecnologias para incorporar nós fotônicos em silício.