تراشه‌ هیبریدی سه‌گانه؛ تلفیق نانو، نور و کوانتوم در سیلیکون

به گزارش روز پنجشنبه گروه علمی ایران اکونومیست از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، پژوهشگران موفق به ساخت تراشه‌ای شدند که الکترونیک، فوتونیک و فناوری کوانتومی را در بستری واحد ترکیب می‌کند، گروهی بین‌رشته‌ای از دانشگاه‌های بوستون، کالیفرنیا در برکلی و نورث‌وسترن موفق شدند منبع نور کوانتومی و اجزای کنترلی الکترونیکی را در یک تراشه‌ سیلیکونی یکپارچه کنند؛ اقدامی که می‌تواند آینده‌ فناوری کوانتومی، رایانش نوری و ارتباطات فوق‌امن را متحول کند.

این یافته‌ها در نشریه‌ معتبر نیچر الکترونیکس (Nature Electronics) منتشر شده است، در این مطالعه، محققان توانسته‌اند با بهره‌گیری از فرایند مرسوم ساخت تراشه‌های نیمه‌هادی با فناوری ۴۵ نانومتری، یک سیستم ترکیبی بسازند که در آن منابع نور کوانتومی (فوتون‌های جفت‌شده) و مدارهای الکترونیکی پایدارکننده درون یک تراشه‌ واحد جای می‌گیرند، این پیشرفت، گامی مهم برای تولید گسترده‌ تراشه‌هایی موسوم به «کارخانه‌های نور کوانتومی» به‌شمار می‌رود.

میلوش پوپوویچ، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه بوستون و نویسنده‌ی ارشد مقاله، می‌گوید: این دستاورد، گام کوچکی در مسیر طولانی تحقق رایانش، ارتباطات و حسگرهای کوانتومی است، اما گامی کلیدی‌ است، زیرا نشان می‌دهد می‌توان سیستم‌های کوانتومی قابل‌کنترل و قابل‌تکرار را در کارگاه‌های صنعتی ساخت.

پرم کومار، از دانشگاه نورث‌وسترن و پیشگام در حوزه اپتیک کوانتومی، نیز تأکید می‌کند که این موفقیت بدون همکاری میان متخصصان الکترونیک، فوتونیک و اندازه‌گیری کوانتومی ممکن نبود.

در حالی که تراشه‌های معمولی با جریان برق و سیستم‌های نوری با نور لیزر کار می‌کنند، فناوری‌های کوانتومی آینده نیازمند منابع نوری کوانتومی پایدار و همگام هستند، به این منظور، تیم پژوهشی، آرایه‌ای از «کارخانه‌های نور کوانتومی» را روی یک تراشه‌ سیلیکونی در ابعادی کمتر از یک میلی‌متر طراحی کرد.

در قلب این تراشه، ریزحلقه‌های نوری سیلیکونی (microring resonators) قرار دارند که برای تولید زوج‌های فوتونی باید با دقت بالا با نور ورودی لیزر هماهنگ باشند، اما این ریزحلقه‌ها به شدت به دما و تفاوت‌های فرایند ساخت حساس هستند و کوچک‌ترین نوسانی می‌تواند هماهنگی‌شان را برهم زده و تولید فوتون‌های کوانتومی را مختل کند.

برای رفع این چالش، پژوهشگران سامانه‌ای ساخته‌اند که به‌صورت درون‌تراشه‌ای و در لحظه، منابع نور کوانتومی را پایدار می‌ کند، هر تراشه شامل ۱۲ منبع مستقل تولید جفت‌فوتون است که باید به‌ صورت همزمان و دقیق با لیزر ورودی تنظیم بمانند، حتی در شرایطی که دما یا عملکرد سایر اجزای مجاور تغییر کند.

آنی‌رود رامش، دانشجوی دکتری دانشگاه نورث‌وسترن که رهبری اندازه‌گیری‌های کوانتومی را بر عهده داشت، می‌گوید: هیجان‌انگیزترین بخش ماجرا این است که توانستیم فرایند کوانتومی را به‌صورت همزمان و درون تراشه پایدار کنیم، این گامی حیاتی برای مقیاس‌پذیری سیستم‌های کوانتومی است.

در طراحی این تراشه، دیودهای نوری درون ریزحلقه‌ها تعبیه شده‌اند که به‌طور مداوم هماهنگی با لیزر ورودی را پایش کرده و با استفاده از گرم‌کن‌های درون‌تراشه‌ای و منطق کنترلی، در برابر انحراف واکنش نشان می‌دهند.

ایمبرت وانگ، دانشجوی دکتری دانشگاه بوستون که طراحی دستگاه‌های فوتونی را بر عهده داشته، می‌گوید: بزرگ‌ترین چالش، طراحی فوتونیک برای برآورده‌سازی نیازهای سخت‌گیرانه اپتیک کوانتومی، آن‌هم در چارچوب محدود پلتفرم صنعتی CMOS بود.

تراشه طراحی‌شده در همین پلتفرم صنعتی ۴۵ نانومتری ساخته شده که با همکاری دانشگاه‌های بوستون و برکلی، شرکت «آیار لبز» (Ayar Labs) و کارخانه جهانی «گلوبال‌فاندریز» (GlobalFoundries) توسعه یافته است. این فرایند، پیش‌تر در تراشه‌های ارتباط نوری هوش مصنوعی استفاده می‌شد و اکنون، توانایی ساخت سیستم‌های کوانتومی نوری را نیز یافته است.

دانیل کرامنیک، دانشجوی دکتری دانشگاه برکلی که طراحی و یکپارچه‌سازی تراشه را رهبری کرده، می‌گوید: هدف ما اثبات این بود که سیستم‌های فوتونی کوانتومی پیچیده می‌توانند به‌طور کامل درون یک تراشه CMOS ساخته و پایدارسازی شوند.