Primo chip quantistico con elettronica e fotonica integrata: verso la produzione su scala industriale

Un gruppo di ricercatori appartenenti alla Boston University, alla UC Berkeley e alla Northwestern University ha compiuto un importante passo avanti verso la realizzazione di sistemi quantistici scalabili, sviluppando il primo chip in grado di integrare componenti elettronici, fotonici e sorgenti di luce quantistica su un'unica piattaforma in silicio. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Electronics, segna un punto di svolta per la transizione delle tecnologie quantistiche dai laboratori alla produzione di massa.

Realizzato con un processo standard CMOS a 45 nanometri - lo stesso impiegato comunemente per la fabbricazione di chip tradizionali - il dispositivo consente la generazione controllata di coppie di fotoni correlati, una risorsa fondamentale per applicazioni emergenti nella comunicazione quantistica, nel sensing e nel calcolo quantistico.

Circuito stampato contenente il chip utilizzato negli esperimenti

"L'informatica, la comunicazione e la sensoristica quantistica sono in un percorso lungo decenni, dal concetto alla realtà", ha spiegato Miloš Popović, professore associato di ingegneria elettrica e informatica a Boston University e autore senior dello studio. "Questo è un piccolo passo su quel percorso - ma un passo importante, perché dimostra che possiamo costruire sistemi quantistici ripetibili e controllabili in fonderie commerciali".

Il cuore del chip è costituito da una rete di microrisonatori ad anello - chiamati anche quantum light factories - ciascuno delle dimensioni inferiori al millimetro quadrato, in grado di generare coppie di fotoni strettamente correlate. Questi dispositivi richiedono un'elevata precisione di allineamento con la luce laser in ingresso per operare correttamente. Tuttavia, sono estremamente sensibili alle variazioni di temperatura e ai difetti di fabbricazione, che possono facilmente alterare il processo di generazione quantistica.

Per garantire la stabilità operativa, i ricercatori hanno sviluppato un sofisticato sistema di controllo integrato direttamente sul chip. Ogni microrisonatore è monitorato da fotodiodi incorporati che rilevano in tempo reale l'allineamento con il laser. L'aggiunta di micro-riscaldatori e logiche di controllo consente di compensare automaticamente le variazioni ambientali, mantenendo costante il comportamento quantistico del sistema.

"Ciò che mi entusiasma di più è che abbiamo incorporato il controllo direttamente su chip, stabilizzando un processo quantistico in tempo reale", ha dichiarato Anirudh Ramesh, dottorando alla Northwestern University che ha guidato le misure quantistiche. Secondo Imbert Wang, dottorando a Boston University e responsabile della progettazione fotonica, il risultato è stato possibile solo superando complesse sfide progettuali: "Una sfida fondamentale [­…] è stata quella di spingere la progettazione fotonica a soddisfare gli esigenti requisiti dell'ottica quantistica, pur rimanendo all'interno dei rigidi vincoli di una piattaforma CMOS commerciale".

Circuito stampato con il chip al microscopio

Il progetto è stato reso possibile da una stretta collaborazione interdisciplinare, che ha coinvolto anche partner industriali come GlobalFoundries e la startup Ayar Labs, attiva nel settore degli interconnettori ottici per l'hardware AI. "Il tipo di collaborazione interdisciplinare richiesto da questo lavoro è esattamente quello che serve per portare i sistemi quantistici dal laboratorio alle piattaforme scalabili", ha sottolineato Prem Kumar, professore a Northwestern University e pioniere dell'ottica quantistica.

Il chip realizzato potrebbe rappresentare la base per reti di comunicazione sicure, sensori avanzati e, in prospettiva, l'infrastruttura necessaria per il calcolo quantistico su larga scala.